荷電粒子線装置及び計測方法
【課題】 高アスペクト構造であっても、パターン底部の寸法を高精度に計測できる荷電粒子線装置及び計測方法を提供する。
【解決手段】 アスペクト比の高いパターンが形成された試料のパターン寸法底部を計測する方法において、試料の同一領域に荷電粒子線を第１方向及び第１方向とは逆の第２方向に走査させたときにそれぞれ発生する信号荷電粒子に基づく第１走査像と第２走査像とを比較し、走査像の信号強度が小さい方を真値とし、走査像を再構築し、再構築した走査像を用いて試料に形成されたパターン底部の寸法を計測する。また、その方法を実現する荷電粒子線装置。
【解決手段】 アスペクト比の高いパターンが形成された試料のパターン寸法底部を計測する方法において、試料の同一領域に荷電粒子線を第１方向及び第１方向とは逆の第２方向に走査させたときにそれぞれ発生する信号荷電粒子に基づく第１走査像と第２走査像とを比較し、走査像の信号強度が小さい方を真値とし、走査像を再構築し、再構築した走査像を用いて試料に形成されたパターン底部の寸法を計測する。また、その方法を実現する荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置又は液晶等の微細な回路パターンの寸法を計測することを目的とした荷電粒子線装置及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造ラインでは回路パターンの寸法管理が歩留り向上、品質管理に不可欠な技術として位置付けられている。この寸法管理には、高い空間分解能を実現する電子顕微鏡を応用したＣＤ−ＳＥＭ（Critical-Dimension Scanning Electron Microscope）が用いられる。ＣＤ−ＳＥＭはＳＥＭ特有の高い空間分解能と深い焦点深度を利用して、回路パターンの横方向（回路パターンの面内方向）の寸法計測を行い、サブｎｍの計測精度を実現する。従来の電子線式の検査装置や検査方法については、例えば特許文献１〜２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１６３４２０号公報
【特許文献２】特表平０８−５０６６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置の更なる高集積化を実現するため、近年リソグラフィーの分野では、転写時に誤差が発生しやすい箇所（ホットスポット）をＣＤ−ＳＥＭで観察し、観察画像と設計時のＣＡＤ（Computer Aided Design）データとの比較から転写の誤差を計測する方法が提案されている。例えば、特許文献１では、パターンの形状を正確に計測するため、電子線を往復で走査させ画像を取得し、電子線の侵入方向に対し逆側のパターン輪郭の信号を使う技術が開示されている。また、特許文献２では、転写されたパターンが絶縁体であることに着目し、帯電による像障害を解消するため、往復に電子線を走査させ、それらの信号を加算平均する技術が開示されている。これらは、転写されたレジストの形状を正確に計測する技術であり、露光装置の状態を管理するうえで非常に有効と言える。
【０００５】
しかし、半導体装置の高集積化には、リソグラフィーだけでなく回路パターンを加工するエッチングの高精度化も不可欠である。近年の２Ｘｎｍノードのデバイスを実現するにはアスペクト比で１０以上の加工が要求され、加工した溝や孔の底をＣＤ−ＳＥＭで計測することが不可欠と言われている。図２はアスペクト比と、溝並びに孔の底から放出される信号電子の関係を示した図で、縦軸は溝上面から放出される信号電子を１００とし、アスペクト比の増大に伴う信号電子の低下を百分率で示している。図中の実線並びに破線は、溝底の中央部から放出される信号電子と、角部から放出される信号電子を示しており、アスペクト比の増大に伴い、放出される信号電子の見込み角（α）が小さくなるため、信号電子は単調に低下する。そして、これら溝底中央部と角部から放出される信号電子の差が、溝並びに孔の底を計測する際、信号電子の検出に必要となる精度を示している。一般的なレジストパターンの計測では、アスペクト比が１前後であるため、４％程度の精度で検出した信号を画像化すれば、溝並び孔の底を計測することができる。しかし、エッチングが完了したパターンでは、アスペクト比１０で０．０５％、アスペクト比６０で０．０１％の精度で検出した信号を画像化する必要があり、ＣＤ−ＳＥＭの信号検出系に極めて高い精度が要求されることがわかる。
【０００６】
一方、図３ＡはＳＥＭの検出系に一般的に用いられる各部品の応答遅れを示したもので、図３Ｂは図３Ａの検出系を用いた場合に観測される信号波形を示している。図３Ａには、代表例として信号電子を光に変換する蛍光体と、変換された光を再度電子に変換し増幅させる光電子増倍管の応答遅れを示しており、これらの部品は発光時間、並びに立上り時間が十分早いため、残光時間と立下り時間をもって応答遅れと表記した。各部品のカタログ等では、信号強度の９０−１０％を残光時間、並びに立下り時間と定義する場合が多く、図３Ａに示した蛍光体の残光時間は１００ｎｓ弱、光電子増倍管の立下り時間は３０ｎｓ弱と言われている。しかし、この検出系を用いて先に述べた０．０１−０．０５％の精度を議論する場合、蛍光体で数μｓ、光電子増倍管で１００ｎｓ弱の応答遅れを考慮する必要がある。図３Ｂはパターンの断面形状と、そのパターンに対し電子線を紙面の左から右へ走査した場合に得られる信号波形を示している。電子線がパターンの凸部に進入する際は、蛍光体並びに光電子増倍管の応答が十分早いため、溝の底の角に対応した信号波形が得られるが、電子線が凸部から凹部に進入する際は、応答遅れの影響で溝の底の角に対応した信号波形を観測することができない。つまり、従来の技術で高アスペクト構造の底を計測することは、極めて困難と言える。
【０００７】
今後、半導体装置の更なる高集積化を実現するためには、先行技術で取り上げた、リソグラフィーで転写したパターンの計測だけでなく、エッチングにより加工が完了した高アスペクト構造の計測が不可欠である。本発明の目的は、高アスペクト構造であっても、パターン底部の寸法を高精度に計測できる荷電粒子線装置及び計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための一実施形態として、凹凸パターンが形成された試料の所定の領域に収束した荷電粒子線を走査させる偏向器と、前記荷電粒子線を前記試料の所定の領域に走査することにより前記試料から発生した荷電粒子を検出する検出器と、前記検出器で検出された荷電粒子信号に基づく走査像を処理する信号処理部とを備えた荷電粒子線装置において、前記信号処理部は、前記荷電粒子線が第１方向に走査されたときの前記試料の所定の領域からの荷電粒子信号に基づく第１走査像と、前記第１方向とは逆の第２方向に走査したときの前記試料の前記所定の領域からの荷電粒子信号に基づく第２走査像とを記録するメモリと、前記メモリに記録された前記第１走査像と前記第２走査像を比較する比較演算回路と、前記第１走査像と前記第２走査像において、走査像の信号強度が小さい方を正しい値とし、走査像を再構築する信号処理回路とを具備していることを特徴とした荷電粒子線装置とする。
【０００９】
また、凹凸パターンが形成された試料に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を走査像として記憶する工程と、前記走査像を用いて前記試料の寸法を計測する工程を含む計測方法において、第１走査方向に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を第１走査像として記憶する工程と、前記試料の同一領域に対し、前記第１走査方向とは逆の第２走査方向に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を第２走査像として記憶する工程と、前記第１走査像と前記第２走査像とを比較し、走査像の信号強度が小さい方を真値とし、走査像を再構築する工程と、前記再構築した走査像を用いて前記試料に形成されたパターン底部の寸法を計測する工程とを含むことを特徴とする計測方法とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、上記構成とすることにより、高アスペクト構造であっても、パターン底部の寸法を高精度に計測できる荷電粒子線装置及び計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）の概略構成図（一部断面図）である。
【図２】アスペクト比と溝並びに孔の底から放出される信号電子の関係を示す図である。
【図３Ａ】ＳＥＭの検出系に一般的に用いられる各部品の応答性を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの検出系を用いた場合に観測される信号波形を示す図である。
【図４】本実施の形態の一例を説明するためのフロー図である。
【図５】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号処理部の概略構成図である。
【図６】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の処理を説明するためのフロー図である。
【図７】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の位置合わせ処理を説明するための図である。
【図８】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の再構築処理を説明するための図である。
【図９】荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるレシピ作成の手順を説明するためのフロー図である。
【図１０】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるレシピ作成の手順を説明するためのフロー図である。
【図１１】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるレシピ作成のＧＵＩ画面の模式図である。
【図１２】第２の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における検出系特性の補正処理の概略構成図である。
【図１３】第２の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるプローブ電流計測装置の概略構成図（一部断面図）である。
【図１４】第２の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における検出系特性の補正処理のフロー図である。
【図１５】第２の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における検出系特性の補正のＧＵＩ画面の模式図である。
【図１６】第３の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号処理部の概略構成図である。
【図１７】第３の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の処理を説明するためのフロー図である。
【図１８】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）の概略構成図（一部断面図）である。
【図１９】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における検出系の概略構成図（一部断面図）である。
【図２０】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号処理部の概略構成図である。
【図２１】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の位置合わせ処理を説明するための図である。
【図２２】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるレシピ作成のＧＵＩ画面の模式図である。
【図２３】第５の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号処理部の概略構成図である。
【図２４】第６の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における走査像形成を説明するための図である。
【図２５】第６の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるエッジの抽出を説明するための図である。
【図２６】第６の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の再構築処理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施の形態では、高アスペクト構造の底部のパターン寸法を計測するため、パターン上の同一領域に対し走査方向が異なる複数枚の走査像を取得し、それらから検出系の立上り応答だけを使った走査像を再構築する。図４は本実施の形態における寸法計測処理の一例を示した図であり、図３Ｂに示した断面形状を有するパターンに対し、本処理を適用し信号波形を再構築した例である。図３Ｂでも説明したように、紙面に対し左から右へ電子線を走査させた場合、凸部の左側では溝の底の角に対応した信号波形が得られ、右側ではそれに対応した信号波形は得られない。一方、紙面に対し、右から左へ電子線を走査させた場合は、前述の逆で凸部の右側で溝の底の角に対応した信号波形が得られ、左側ではそれに対応した信号波形は得られない。これら２つから検出系の立上り応答だけを使った信号波形を再構築するために、本処理では２つの信号波形を比較し、信号の強度が低い方を真値とし信号波形を再構築する。再構築することで溝の底の角に対応した信号波形が抽出でき、溝の底の寸法計測が始めて可能になる。
【００１３】
本処理では同一の箇所で最低２枚の走査像を取得するため、従来に比べ撮像に２倍以上の時間が必要になる。しかし、パターンに対し直行し走査方向が約１８０度異なる２つの走査像を用いることで、従来では困難であった高アスペクト構造の底の寸法計測が可能になることを見出した。なお、ここでは寸法計測を例に本実施の形態を説明したが、この技術は検査においても有効な技術であり、半導体装置の開発や、量産におけるプロセス変動のモニタリングまで様々な用途に適用できる技術である。
【００１４】
以下、実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例では、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明する。なお、実施例においては電子線を用いた場合について説明するが、イオン線を用いた場合にも適用可能である。本実施例で説明する荷電粒子線装置の一つであるＳＥＭ式半導体計測装置は、ウェーハ上の同一箇所をパターンに対し直行し、かつ走査方向が約１８０度異なる２つの走査像をメモリに格納する。そして、各々の走査像から得られる信号波形を比較し、信号の強度が低い方を真値とし信号波形を再構築し、再構築した波形を用いてパターンの寸法を計測することを特徴とする。
【００１６】
図１は本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置の構成を示したものである。以下、本実施例のＳＥＭ式半導体計測装置の基本的な構成について説明する。計測装置は、大きく分けて、ＳＥＭ筐体１、試料室２、筐体制御部３、信号処理部４、ステージ制御部５、ウェーハ搬送部８、真空排気部９で構成され、これら全てをコンソール６で制御できるよう構成されている。コンソール６はレシピや計測結果、取得した走査像を記憶できる大容量のストレージ媒体７を持ち、このストレージ媒体７に記録されたデータを元に、装置の動作や、データの管理を行う。ここでＳＥＭ筐体１、試料室２は真空排気部９に含まれる排気ポンプにより真空が維持されており、目的に応じてコンソール６から真空排気部９を制御し、ＳＥＭ筐体１及び試料室２、試料準備室１０の排気やリークをすることができる。以下、各部位について構成とその部位が果たす機能について順を追って説明する。なお、同一符号は同一構成要素を示す。
（ＳＥＭ筐体）
ＳＥＭ筐体１は、電子源１１、第１コンデンサレンズ１２、絞り１３、プローブ電流計測部１４、第２コンデンサレンズ１５、変換板１６、偏向器１７、対物レンズ１８、高さセンサ１９で構成される。電子源１１より放出された電子線は、一次電子線２０として第１コンデンサレンズ１２で収束されてから、プローブ電流を制限する絞り１３に照射される。絞り１３を通過し、プローブ電流を制限された一次電子線２０は、変換板１６の中央に設けられた穴を通過するよう、第２コンデンサレンズ１５で再度収束される。変換板１６を通過した一次電子線２０は、試料２１上の所望の領域を２次元的に走査するよう偏向器１７で軌道を変えられてから対物レンズ１８で試料２１上に収束して照射される。ここで、試料室２に設置された試料２１には、一次電子線２０を減速させる電圧が印加されており、試料２１から放出された信号電子２２は試料２１に印加された電圧に応じたエネルギーまで加速される。加速された信号電子２２は対物レンズ１８、偏向器１７を通過し変換板１６に衝突してから、信号電子２２を引き込むよう高電圧が印加された検出器２３で補足される。上記は、ＳＥＭ筐体の一般的な構成だが、本実施例では走査方向が約１８０度異なる２枚の走査像を比較するため、２枚の走査像で走査信号が正確に反転している必要がある。走査信号の周波数が遅い場合は、偏向器１７に電磁方式を用いても良いが、周波数が早くなると、ＳＥＭ筐体で交流磁場による渦電流が発生し、走査信号を正確に反転させるのが難しくなる。走査信号の周波数が遅い場合、１画素あたりの信号電子が増えるため、高いＳ／Ｎの走査像を得ることができる。しかし、その反面、一次電子の照射時間が長くなるため、試料２１の帯電が像障害を引き起こす場合がある。このような場合は、上記の偏向器１７に静電方式を採用するだけで、幅広い周波数帯の走査が可能になり、試料２１の帯電による像障害を低減することができる。その結果、帯電による像障害が発生しやすい絶縁体の試料においても、本実施例を適用することができる。
（試料室、ステージ制御部、並びにウェーハ搬送部）
試料室２はステージ２４、絶縁体２５、試料フォルダ２６、ミラー２７で構成される。試料フォルダ２６と接地されたステージ２４とは、絶縁材２５で電気的に絶縁されており、試料２１、ミラー２７は、試料フォルダ２６に対し電気的に接地されており、試料フォルダ２６には試料室２の外部からフィードスルーを介し高電圧を印加することができる。試料フォルダ２６にリターディング電源２８から高電圧を印加することで、試料２１に高電圧が印加され、試料２１に入射する一次電子線２０のエネルギーを任意に調整することができる。
【００１７】
また、ステージ制御部５内のステージ駆動装置３０により、ステージ２４はＳＥＭ筐体１の中心軸に対し垂直方向に２次元的に駆動し、試料フォルダ２６全ての領域をＳＥＭ筺体１の中心軸の直下に移動させることができる。なお、ミラー２７は試料２１の位置を計測するため、試料フォルダ２６に取り付けられており、ステージ制御部５内にあるレーザ計測装置２９から試料室２の真空を隔壁するガラス窓を介してレーザが照射できる構成となっている。このようにレーザ計測装置２９で試料２１の位置を計測することで、微細なパターンが集積された半導体パターンでも、所望の位置の走査像を得ることができる。
【００１８】
ウェーハ搬送部８は搬送制御部３５と搬送ロボット３６で構成される。ウェーハ搬送部８は、コンソール６からの制御信号に基づき搬送制御部３５が搬送ロボット３６を制御し、ウェーハ搬送部８に設置された試料２１を、試料準備室１０に搬送する。ここで、試料２１はウェーハ搬送部８から試料準備室１０、そして試料室２へと段階的に搬送されるが、各部の間にはバルブ３７が設けられている。コンソール６はバルブ３７と真空排気部９を制御し、搬送の動作中も試料室２の真空が常に維持できるよう、試料２１を自動で搬送することができる。
（筺体制御部）
筐体制御部３は、コンソール６から送られる制御信号に基づき、ＳＥＭ筐体１に含まれる電子源１１や各種レンズを動作させる。筺体制御部３は電子銃電源３１、筺体制御電源３２、プローブ電流計測装置３３、リターディング電源２８で構成され、電子銃電源３１は電子源１１に陰極電圧を印加し、電子が安定して放出されるよう電子源１１を動作させる。また、筺体制御電源３２は第１コンデンサレンズ１２、第２コンデンサレンズ１５、対物レンズ１８各々に電流を供給し、コンソール６からの制御信号に基づき各レンズに供給する電流を設定することができる。プローブ電流計測装置３３はプローブ電流計測部１４で検出した一次電子線２０のプローブ電流を計測することができる。リターディング電源２８は、コンソール６からの制御信号に基づき、前述に従い試料フォルダ２６に高電圧を印加することができる。
（ビーム制御回路、並びに信号処理部）
ビーム制御回路３４、並びに信号処理部４は、コンソール６から送られる制御信号に基づき、試料２１の走査像を形成する。走査像を形成するため、ビーム制御回路３４は偏向器１７に走査信号を送り、信号処理部４は検出器２３で取り込んだ信号電子２２を走査信号に同期させてサンプリングする。なお、符号３９はレベル調整回路、符号４１はＡＤ変換部を示す。
【００１９】
以下、本実施例の特徴である信号処理部４について詳細に説明する。図５は信号処理部４の概略構成図であり、信号処理部４は、切り替え回路Ａ ４２、メモリＡ ４３、メモリＢ ４４、切り替え回路Ｂ ４５、画像処理回路４６、比較演算回路４７、信号処理回路４８で構成される。信号処理部４は、レベル調整回路３９及びＡＤ変換部４１を介して検出器２３に、またコンソール６に電気的な配線で接続され、コンソール６からの制御信号に基づき、検出器２３からの信号を処理し、コンソール６へ出力する。コンソール６からの制御は、レベル調整回路３９で検出器２３から送られる信号の増幅、オフセットを調整し、ＡＤ変換部４１で、走査信号に同期させデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号を、切り替え回路Ａ ４２を介し、メモリＡ ４３またはメモリＢ ４４に走査像として格納し、切り替え回路Ｂ ４５を介してそれぞれのメモリに格納されている走査像を選択して画像処理回路４６へ出力する。ここで画像処理回路４６には、入力されてきた走査像に対し、平滑化や先鋭化等のフィルター機能や、明度の線形、非線形変換等のレベル調整機能、及びデータの圧縮機能を有し、これらの機能はコンソール６を制御するオペレータが自由に選択することができる。通常は、先に述べたように高アスペクト構造の底から放出される信号電子は非常に少ないため、計測には走査像の明度に４桁程度のダイナミックレンジ（＝０．０１％の精度）が必要となり、走査像のデータサイズは非常に大きなものとなる。しかし、本実施例で示した計測する信号波形と、表示する走査像とを独立のデータとし、走査像は目視で最適な画質に調整できる機能を有することで、計測精度を気にすることなく走査像のデータサイズを圧縮することができる。これにより、走査像には４桁のダイナミックレンジ（１４ｂｉｔ）が必要とされたものが、通常のグレースケール画像で必要とされる（８ｂｉｔ）まで圧縮することができる。
【００２０】
次に信号処理部４における信号波形の処理について説明する。図６は、図５中のメモリＡ ４３とメモリＢ ４４に格納されている走査像から、比較演算回路４７を介して信号波形を抽出し、信号処理回路４８を介して信号波形を再構築し、計測するまでのフローを模式的に示したものである。メモリＡ ４３とメモリＢ ４４には走査方向が約１８０度違うため、左右が反転した走査像が格納されている。まず、比較演算回路４７ではどちらかの画像を左右反転させ、走査像同士で位置合わせ処理を行う。ここで位置あわせの処理は、走査像の各画素ごとの階調の差から差画像を形成し、どちらか一方の走査像をずらしながら差画像の標準偏差が最小になるよう、走査像間の位置を合わせる。なお、位置合わせの処理には、走査像そのものを用いても良いが、フーリエ変換で位相の情報だけを抽出した画像を用いても良い。次に、位置合わせの情報を基に、それぞれの走査像に対して波形を抽出するカーソルを合わせ、信号波形を抽出する。ここで波形を抽出するカーソルの設定については、後の（レシピ作成）で詳細に述べる。そして、抽出した２つの信号波形同士を比較し、より高精度に位置を合わせ、その後信号処理回路４８で信号波形を再構築し計測を行う。上述のように比較演算回路４７では、走査像と信号波形の２段階で位置を合わせる。走査像に対する位置合わせは、走査方向が異なる２つの走査像間で、先に述べた信号波形を抽出するカーソルがずれることを防ぐために必要となる。また、信号波形に対する位置合わせは、カーソルを合わせて同一の領域の信号波形を抽出したとしても、試料の汚染や走査信号に重畳するノイズの影響で信号波形の高さや位置は完全には一致しないため必要となる。このように、２段階で位置を合わせることにより、試料２１の帯電や試料の汚染、ダメージ等で２つの走査像の視野が微妙にずれる場合においても、本実施例を適用することができる。
【００２１】
図７は信号波形の位置合わせ処理の一例を説明した図で、メモリＡ ４３とメモリＢ ４４から抽出した各々の信号波形に対する、レベル補正と位置合わせの２段階の処理を示している。レベル補正は信号波形の高さを合わせる処理で、図７に示すよう階調が低い領域の平均階調（Ｓ１）と、階調が高い領域の平均階調（Ｓ２）を規定し、各々の信号波形でＳ１とＳ２が同じになるよう、比較演算回路４７は各々の信号波形の階調を伸縮させる。ここで、図７では信号波形のピークをＳ２としていない。これはレベルを補正する際、信号波形のピークの高さがバラつき、Ｓ２の誤差で間違った補正をしないためであり、信号波形のピークの高さがほぼ一定であるなら、ピークの平均階調をＳ２としても問題ない。また、レベル補正後の位置合わせ処理は、連続的な信号波形を再構築するための処理で、図７に示すよう信号波形のピーク間の中間位置が一致するよう、各々の信号波形の画素を移動または伸縮させる。ここで、図７ではピーク間の中間位置が２つの場合を例に示したが、合わせる中間位置が多ければ多いほど正確な位置合わせができる。オペレータは、先に示したＳ１とＳ２、そして比較演算回路４７が自動で抽出するピーク間の中間位置の数を、レシピを作成する段階で規定し信号波形の位置を合わせることができる。
【００２２】
図８は信号波形の再構築処理の一例を説明した図で、比較演算回路４７より信号処理回路４８に入力される２つの信号波形と、それらを用いた信号波形の再構築と平滑化を示している。再構築は、図４と同様に２つの信号波形を比較し、信号の強度が低い方を真値とし信号波形を再構築することで実現することができる。しかし、先に示した位置合わせをしても、再構築した信号波形では不連続点４９が存在し、計測誤差の要因となる。そこで、信号処理回路４８では再構築した信号波形を平滑化し、計測誤差を低減させる。このように再構築をする処理に平滑化の機能を加えることで、安定し、計測誤差の少ない計測装置を実現することができる。また、上記では信号波形のデータサイズについて明記していないが、コンソール６に表示する走査像を８ｂｉｔ、計測に用いる信号波形を１４ｂｉｔ以上とすることで必要最小限のデータサイズで高精度な計測を実現することができる。データサイズが小さくなることで、ストレージ媒体７には大量の計測結果が保存でき、且つデータ処理を高速化できるため、計測装置の処理速度の観点でも有利となる。以上に説明した位置合わせ処理及び再構築処理を施すことで、高アスペクト構造の底に対して安定した寸法計測を実現することができる。
【００２３】
なお、本実施例ではＡＤ変換部４１より後段の切り替え回路Ａ ４２から、画像処理回路４６並びに信号処理回路４８までをコンソール６から独立した部位として記載したが、これらの機能はコンソール６に含まれる計算機でも行うことができる。コンソール６に含まれる計算機で上記処理を行う場合は、ＡＤ変換部４１より後段の部位がコンソールに集約できるため、計測装置の設置面積や製造コストの低減が期待でき、かつ本実施例の効果は損なわれない。
（レシピ作成の手順）
図９を用いて本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置におけるレシピ作成の手順を示す。パターンの寸法を計測するオペレータは、工程１で計測する試料の基本情報を入力する。例えば試料が半導体ウェーハの場合は、ウェーハの品種、製造工程の名称が前述の基本情報に相当し、これらは複数存在するレシピを分類し管理するために用いられる。次に、工程２で計測に用いる光学条件を選定する。光学条件のパラメータは、試料に入射するプローブ電流、入射エネルギーであり、これらのパラメータは走査像の取得で、「複数回の画像取得で画質が劣化」「計測時の弊害となる明るさムラ等の異常コントラスト」が発生しないよう決められる。この作業は、オペレータが光学条件を任意に選んでも良いし、装置出荷時に製造元が決めた推奨条件をそのまま用いても良い。半導体ウェーハ等のパターンが形成された試料では、試料を動かすステージの座標と試料上に形成されたパターンの座標との位置関係を正確に計測する必要がある。本実施例では、この位置関係を計測する工程をアライメント工程（工程５）とする。工程３では、光学画像上及び走査像上で認識可能な試料上のパターンの画像を、テンプレートとしてコンソール６に登録する。このテンプレートには、光学画像と走査像の２種類を登録することができ、光学画像のテンプレートは第１のアライメント工程、ＳＥＭ画像のテンプレートは第２のアライメント工程に用いられる。通常、精度の低い第１のアライメント工程を経てから高精度な第２のアライメント工程を行う手順となる。登録作業は、例えばコンソールのモニタ上に表示される光学画像と走査像とを、ユーザがストレージ媒体７に記憶させることで実行される。（工程３）ステージの座標と試料上に形成されたパターンの座標との位置関係を正確に補正するためには最低２つの場所でアライメント工程を行う必要がある。工程４では、アライメントを行う場所を登録する。登録は、例えば、モニタに表示される走査像上で適当な位置を、ユーザがコンソールを介して指定することにより実行される。工程５では、テンプレートと上記で登録した場所で撮像した光学画像の比較（第１のアライメント工程）及び走査像の比較（第２のアライメント工程）からステージの座標と試料のパターンの座標の位置関係を計測する。そして、計測した結果をストレージ媒体７に記憶させる。
【００２４】
次に、工程６で計測するパターンの近傍に測定する場所を探すための位置検索用テンプレートを登録し、工程７で計測する箇所のテンプレートをコンソールに登録する。ここでテンプレートとして登録する情報は、工程６では低倍の走査像とステージ座標、工程７では計測する倍率の走査像とステージ座標である。ここで登録時に実行する作業は、アライメント用のテンプレートの登録作業と同じである。工程８では工程７で登録した走査像を基に信号波形を抽出し、計測を実施し、結果をストレージ媒体７に記憶させる。オペレータはウェーハ内に複数の測定位置がある場合は、工程６から工程８を繰り返し、全ての測定位置を登録したらレシピをストレージ媒体７に保存し終了する。レシピを用いた自動計測では、オペレータがコンソール６に前述の試料の基本情報を入力し、自動計測を開始させる。コンソール６は開始の命令と共に、ストレージ媒体７に保存されたレシピの情報を読み出し、それに基づきウェーハ内を自動で計測し、レシピに登録された測定点全てに対して計測が完了したら、計測結果をストレージ媒体７に保存する。
【００２５】
上記は計測装置におけるレシピ作成の手順と自動計測の一例であるが、本実施例を適用するためには、図９に示したレシピ作成の手順で、工程７と工程８に対して前述の信号処理を自動で実施させる設定が必要となる。図１０は本実施例で示した信号処理を自動で実施させるレシピの作成手順を説明したもので、本実施例が関係する図９中の工程７と工程８のみを抜粋して図示している。まず、工程７−１では、計測する位置を含む走査像をテンプレートとして登録し、工程７−２で計測する方法を選択する。この計測する方法とは、ラインアンドスペースの様な繰り返しパターンの場合はパターンのピッチやライン間のスペース、又はラインの幅を示している。この方法は計測する対象により異なり、図１０に示したラインアンドスペースのパターンに対しては、上記の計測方法が用いられるが、コンタクトホールや周期性のない孤立パターンの場合は、コンタクトの径やパターン間の距離を計測する方法が用いられる。レシピを作成するオペレータは、計測対象のパターンに応じて上記の計測方法を選ぶことができる。そして、計測する方法をオペレータが選択すると登録された走査像上に計測箇所を特定するカーソルが表示され、工程７−３でオペレータがカーソルの位置や大きさを調整し、計測する箇所にカーソルを合わせ、計測位置を登録する。図１０中の（ａ）はラインアンドスペースのライン間のスペースを計測する例を示しており、この場合太線で矩形のカーソルが二つ表示され、カーソルを計測するスペースの両端のラインのエッジにそれぞれのカーソルを合わせることで、スペースを計測することができる。次に工程７−３で登録した位置を計測するが、本実施例では走査方向が約１８０度異なる２つの走査像を取得する必要があるため、工程８−１では、オペレータは、工程７−１で登録した走査像と同じ位置で、走査方向が異なる２つの走査像を取得する。そして、工程８−２では取得した２つの走査像に対する位置合わせ処理のパラメータを設定する。ここで、位置合わせ処理のパラメータとは、位置合わせをするアルゴリズムと、走査像内で位置合わせ判定をする有効領域を示しており、オペレータがこれらを自由に設定しても良いが、本実施例の計測装置の製造元が出荷時に設定したパラメータをそのまま用いても良い。図１０中（ｂ）は先に説明した２つの走査像から差画像を形成し、差画像の標準偏差が最小になるよう位置合わせをするアルゴリズムの場合を示している。この時、コンソール６のモニタには差画像が表示され、オペレータは位置合わせをする際の有効領域を示す、矩形のエリア選択カーソルの位置、並びに大きさを任意に調整することで、位置合わせのパラメータ調整することができる。位置合わせ処理の設定後、工程８−３では工程７−３で登録した計測位置に基づき、位置合わせ処理が完了した２つの走査像から信号波形を抽出する（図１０中の（ｃ））。そして、工程８−４では先に図７を用いて説明した手順に従い、オペレータは信号波形の位置合わせのパラメータを設定し、工程８−５で信号波形の再構築を行う。このときコンソール６のモニタ上には再構築した信号波形が表示されており、オペレータは表示されている信号波形を見ながら、この後の続く工程８−６距離を測定する条件の設定、工程８−７距離の測定を行う。工程８−６の距離を測定する条件の設定では、オペレータは信号波形を見ながら、計測するアルゴリズムを選択する。ここでアルゴリズムとは、信号波形から距離を計測するアルゴリズムを示しており、計測装置で一般的に用いられるアルゴリズムで本実施例の効果を発揮することができる。
（ＧＵＩ画面）
図１１は図１０で示したレシピ作成手順をオペレータが操作する際、コンソール６のモニタ上に表示されるＧＵＩ画面の模式図である。ＧＵＩ画面はコンソール６から計測装置全般の動作を指示する総合画面５２と、走査像を表示する画像表示画面５３、検出した信号のレベルを調整するゲイン調整画面５４、本実施例で示した信号波形の処理及び計測アルゴリズムを選択する測長条件調整画面５５で構成される。このＧＵＩ画面は、図９に示したレシピ作成の手順で、工程６の測定位置検索用のテンプレートを登録した後、自動的にコンソール６上のモニタに表示され、オペレータはそのまま測定位置のテンプレート登録（工程７）以降を設定することができる。
【００２６】
ＧＵＩ画面の下部にある総合画面５２には、装置の動作状態を示す機能ボタン５６が複数あり、オペレータは画面上でこのボタンをクリックすることで、ボタンに表示されている機能を動作させることができる。ここでは総合画面５２内に、本実施例を説明する代表的な機能、ウェーハを試料室に搬送するロードボタン、走査像を表示する画像表示ボタン、レシピを作成するレシピ作成ボタン、自動で計測する自動測長ボタン、ＳＥＭ式半導体計測装置の各種メンテナンスに用いるメンテナンスボタン、ＳＥＭ式半導体計測装置の動作を終了させる終了ボタンを示したが、これら以外の機能が表示されていても本実施例の効果は損なわれることはない。なお、図１１は走査像を観察しながら、レシピを作成している状態なので、画像表示とレシピ作成の機能ボタン５６が活性の状態（黒く反転している状態）となっている。
【００２７】
画像表示画面５３は、走査像または光学画像を表示する画面であり、機能ボタン５６として、測長条件調整ボタン、光学調整（光学条件）ボタン、ゲイン調整ボタン、画像条件ボタン、撮像条件ボタンが設けられている。図１１ではゲイン調整画面５４と測長条件調整画面５５が立上っているため、これらの機能ボタン５６は活性の状態になっており、光学調整ボタンは活性の状態でない。光学調整ボタンはＳＥＭ筐体１の光学軸を調整する際に使う機能ボタンで、レシピ作成の段階ではＳＥＭ筐体１の光学軸を調整する必要がないため、活性となっていない。また、画像条件ボタンは試料２１に入射する一次電子線２０のエネルギーとプローブ電流を調整するボタンで、図９中の工程２の段階で既に設定が完了しているため、図１１中では設定されたエネルギー（加速電圧）とプローブ電流が表示されている。撮像条件ボタンは、画面に表示する走査像の走査速度、積算回数を設定するボタンであり、レシピ作成のどの工程でも起動できるが、図１１は既に設定が完了している状態を示している。この場合、走査像の走査速度は走査条件、走査像の積算回数は積算回数として、現在の設定が画面に表示される。なお、画像表示画面５３には、２つのプルダウンボタン５７が設けられており、１つは表示する画像を走査像と光学画像で切り替える画像切り替えボタンと、もう１つは走査像の倍率を任意に選択する倍率選択ボタンである。これらは、レシピ作成に関わらず、画像表示画面５３が起動している限り、どの段階で操作することができる。なお、符号５１はカーソルを示す。
【００２８】
ゲイン調整画面５４は、計測装置の検出系のレベルを調整する画面で、図１１ではレベルの調整として信号波形のオフセットを変えるブライトネスと、信号波形の振幅を変えるコントラストの２つを示した。これらは、スクロールバー５８で調整でき、スクロールバー５８の右にあるウインドウ５９に設定値が表示される。また、ゲイン調整画面５４にはレベルを調整するモードが選択できるプルダウンボタン５７があり、このボタンで自動か手動かを選択することで、自動で計測装置がレベルを調整するか、オペレータが手動でレベルを調整するか選択することができる。
【００２９】
測長条件調整画面５５は、図１０で示した手順をオペレータが行う画面で、測長条件調整画面５５には工程７の測長位置のテンプレートを登録する領域と、工程８の測長を実施する領域がある。テンプレートを登録する領域には、測長方法を選択できるプルダウンボタン５７があり、オペレータはプルダウンボタン５７で測長対象に応じた測長方法を選択することができる。このとき、画像表示画面５３の走査像上には、ここで選択した測長方法に応じたカーソルが表示され、オペレータは画面上でカーソルの位置や大きさを調整することができる。また、テンプレートを登録する領域には、登録または登録されているテンプレートを削除する際に用いるコマンドボタン６０があり、オペレータはコマンドボタン６０をクリックすることで、テンプレートの登録や削除をすることができる。測長条件調整画面５５内の測長を実施する領域には、図１０の工程８の手順でオペレータは測長する条件を調整する。工程８の中で、オペレータは工程８−１から８−５までの手順を、画面内のチェックボタン６１で調整の有無を選択することができる。高アスペクト測長モードのチェックボタン６１は、工程８−１に示した走査方向が異なる画像を取得するか否かを決めるボタンで、このチェックボタン６１を有効にすることで、それ以降のチェックボタン６１の操作が可能になる。画像位置補正のチェックボタン６１は、工程８−２に示した走査像の位置合わせの有無を決めるボタンで、このボタンを有効にしたとき、縮退のウインドウ５９への入力が可能になり、画像表示画面５３の走査像上に先に述べたエリア選択カーソルが表示される。ここで縮退とは位置合わせ処理の際、走査像の外周から何画素分を無視するかを決めるパラメータで、オペレータが自由に調整しても良いし、装置の製造元が決めた初期値をそのまま用いても良い。波形位置補正のチェックボタン６１は、工程８−４に示した信号波形の位置合わせの有無を決めるボタンで、このボタンを有効にしたとき、位置合わせの方式を決めるプルダウンボタン５７が有効になり、オペレータは位置合わせ方法を選択し図７に示した調整をすることができる。平滑化処理のチェックボタン６１は、工程８−５で示した信号波形の再構築の際、図８で示した信号波形の平滑化処理をするか否かを決めるボタンで、このボタンを有効にしたときレベルのウインドウ５９への入力が可能になる。オペレータは、このウインドウ５９に平滑化の度合いを決める数字を入力することで、平滑化の度合いを決めることができる。続いてオペレータが設定する工程８−６は、測長方法の機能ボタン５６をクリックすることで、測長方法を設定する画面を新規に立ち上げることができる。この測長方法を設定する画面は、図１１中では記載していないが、前述の図１０の工程８−６並びに工程８−７の手順に従い、測長方法に関する各種パラメータを設定することができる。上記が、図１０の工程８−１から工程８−７に示した手順をオペレータがＧＵＩ上で行う操作であり、これらの操作を行う上で、信号波形の取得や再構築、寸法の測長や、設定した条件の保存といった動作が必要になる。これらは測長条件調整画面５５の下部にあるコマンドボタン６０をクリックすることで動作させることができ、動作に応じて画面内に表示される信号波形は随時更新される。なお、これまでは高アスペクト測長モードを有効にした場合の調整手順、並びにＧＵＩでの操作を説明したが、高アスペクト測長モードを無効にした場合は、オペレータは工程８−１から８−５を行わず、工程８−６に進み、従来の計測装置同様に測長条件を設定することができる。
【００３０】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。これにより、従来は困難であったエッチング後の高アスペクト構造の計測が可能になり、半導体装置の製造工程で要求される、様々な寸法計測に対応できるようになる。
【００３１】
以上説明したように、本実施例によれば、立上り応答（底部から上部方向へ荷電粒子を走査して得られる検出信号）を用いて底部の両端部位置を求めることにより、高アスペクト構造であっても、パターン底部の寸法を高精度に計測できる荷電粒子線装置及び計測方法を提供することができる。
【実施例２】
【００３２】
第２の実施例について説明する。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。
実施例１では、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明した。半導体装置の製造工場では、１つのラインに複数のＳＥＭ式半導体計測装置を設置する場合が多く、複数の計測装置で同じレシピを用いた自動計測が行われる。このようにＳＥＭ式半導体計測装置を用いる場合、計測装置間の個体差（機差）が問題となり、機差の校正が不可欠となる。本実施例２では、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置における機差の校正について説明する。先の実施例１でも説明したように、高アスペクト構造の底の寸法計測には、信号電子の検出系に４桁（１４ｂｉｔ）以上のダイナミックレンジと精度が要求される。本実施例では、ＳＥＭ式半導体計測装置に検出系の個体差を校正するため、検出した信号電子の強度を信号電流に換算する機能を備えていることを特徴とする。ここで、信号電流とは試料２１から放出される信号電子２２の量を定量化できる物理量であり、本実施例では既知のプローブ電流で観測される試料の明度を信号電流の一例として示した。同じプローブ電流であっても、信号電流は試料によって異なるが、同一の試料に対し、プローブ電流を変えて取得した、プローブ電流と明度の特性データは、測定した検出系の特性を示すため、検出系の固体差を含んだ信号電子の強度を信号電子２２の量に換算することができる。
（信号波形の校正処理）
図１２は、本実施例における検出系の校正方法の概要を示しており、図１中で校正処理に関係する、信号処理部４とコンソール６並びにストレージ媒体７を抜粋してある。検出した信号電子の強度を信号電流に換算するためには、検出系の特性を測定した特性データ６３の集合体であるデータシート６２が必要であり、このデータシート６２はストレージ媒体７に記憶されている。コンソール６は、図１中のレベル調整回路３９に指示した調整値に相当する特性データ６３をデータシート６２から読み出し、特性データ６３を用いて信号処理部４から送られる信号波形の強度を信号電流に換算する。そして、コンソール６は、信号電流に換算した信号波形と、その波形から計測した結果をストレージ媒体７に記憶させる。ここで、特性データ６３の集合体であるデータシート６２は、計測装置の出荷時、あるいは装置の定期的なメンテナンスの際、計測装置の製造元あるいはオペレータが作成するものであり、必要に応じて特性データ６３、並びにデータシート６２を更新することができる。以上に示した方法でＡＤ変換部４１より前段の検出系の個体差を校正することができる。なお、上述の特性データ６３、並びにデータシート６２を作成する手順は、後の（データシートの作成手順）で説明する。
（プローブ電流計測装置）
プローブ電流と明度の特性データを正確に取得するためには、ＳＥＭ式半導体計測装置に一次電子線のプローブ電流を計測する機能が必要になる。図１３はプローブ電流を計測する装置の構成を示しており、図１中のＳＥＭ筐体１の一部と、プローブ電流計測装置３３、コンソール６を示している。ＳＥＭ筐体１に含まれるプローブ電流計測部１４は、一次電子線２０を偏向するブランキング装置６４と、プローブ電流を検知するファラデーカップ６５、そしてファラデーカップ６５とＳＥＭ筐体１を電気的に絶縁する絶縁体２５で構成されている。また、プローブ電流計測装置３３は、一次電子線２０を偏向させる定電圧回路６６と、ファラデーカップ６５が検知したプローブ電流を電圧信号に変換、且つ増幅させる増幅器３８、並びに増幅された電圧信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部４１で構成されている。ここで、ブランキング装置６４と定電圧回路６６、並びにファラデーカップ６５と増幅器３８は、図中には示していないＳＥＭ筐体１の真空を維持するフィードスルー端子で電気的に接続されている。そのため、コンソール６からの制御信号に基づき、定電圧回路６６はブランキング装置６４に定電圧を印加し、ファラデーカップ６５でプローブ電流が検知できる構成になっている。なお、ファラデーカップ６５には、一次電子線２０が通過する穴が設けられており、ブランキング装置６４で一次電子線２０が偏向されたとき、初めてファラデーカップ６５に一次電子線２０が捕捉され、プローブ電流が検知できる仕組みになっている。
（データシートの作成手順）
検出系のデータシート６２を作成するには、検出系のレベル調整回路３９の回路定数を固定し、既知のプローブ電流で試料の明度を計測し、プローブ電流（信号電流）と画像明度の関係を求める必要がある。図１４は、データシート６２を作成する手順を示しており、手順は大きく２つの工程に分かれている。１つは、一次電子線２０を試料２１に照射せず、レベル調整回路３９の回路定数を段階的に変えながら、画像の明度を測定する暗レベルの測定と、もう１つは、プローブ電流とレベル調整回路３９の回路定数を各々段階的に変えながら、信号電流と画像明度の関係を求める検出系特性の測定である。以下、手順に沿って各工程を説明する。まず、暗レベルの測定は、第１の工程で一次電子線２０が試料２１に照射されないようプローブ電流がゼロになる設定をする（ビームオフ）。この設定は、電子源１１から電子が放出されないよう、コンソール６から電子銃電源３１を制御しても良いし、ＳＥＭ筐体１の中にバルブがある場合は、そのバルブを閉めるだけでも良い。次の第２の工程で検出系の回路定数を設定し、第３の工程で走査像の明度を計測する。検出系の回路定数を段階的に変えながら、第２−第４の工程を繰り返すことで、暗レベルを測定することができる。
【００３３】
続いて、検出系特性の測定は、第５の工程で１次電子線２０を試料２１に照射させる（ビームオン）。この設定は、電子源１１から電子が放出されるよう、コンソール６から電子銃電源３１を制御しても良いし、ＳＥＭ筐体１の中にバルブがある場合は、閉めていたバルブを開けるだけでも良い。次の第６の工程では、一電子線のプローブ電流を設定するが、プローブ電流を変える手段として、コンソール６から電子銃電源３１を制御し、電子源１１の動作条件（電子を放出させる引き出し電圧等）を調整しても良いし、絞り１３の上に配置されている第１コンデンサレンズ１２で１次電子線２０の軌道を調整しても良い。プローブ電流を変える手段はいずれでも良いが、本実施例の効果を発揮するためには、プローブ電流の範囲を４桁以上にする必要がある。なぜなら、本実施例が実現する高アスペクト構造の底の計測では、検出系に４桁のダイナミックレンジが必要とされるためである。そして第６の工程でプローブ電流を設定したら、次の第７の工程で検出系の回路定数を設定し、第８の工程で走査像の明度を計測する。この第６−第８の工程を繰り返すことで、検出系の特性を測定することができる。ここで注意すべきは、暗レベルの場合と異なり検出系特性の場合は、試料に電子線を照射するため、試料の同じ場所で測定を重ねると試料の汚染やそれに伴う帯電の影響で、走査像の明度が変わってしまう。従って、第９の工程で次の測定があると判断したら、試料を移動させ常に新しい場所で走査像の明度を測定できるよう工夫する必要がある。以上に示した手順で検出系の回路定数ごとに、暗レベルと検出系特性を測定することで、データシート６２を作成することができる。
（ＧＵＩ画面）
次に、図１４に示した手順でデータシート６２を作成する際、コンソール６のモニタに表示されるＧＵＩ画面を説明する。図１５は、検出系の特性を測定する際、コンソール６のモニタ上に表示されるＧＵＩ画面の模式図で、ＧＵＩ画面はコンソール６から計測装置全般の動作を指示する総合画面５２と、メンテナンスする項目を選択するメンテナンス画面６７、検出系の特性を自動で測定する検出特性測定画面６８で構成される。
【００３４】
ＧＵＩ画面の下部にある総合画面５２には、装置の動作状態を示す機能ボタン５６が複数あり、オペレータは画面上でこのボタンをクリックすることで、ボタンに表示されている機能を動作させることができる。ここでは総合画面５２内に、本実施例を説明する代表的な機能、ウェーハを試料室に搬送するロードボタン、走査像を表示する画像表示ボタン、レシピを作成するレシピ作成ボタン、自動で計測する自動測長ボタン、ＳＥＭ式半導体計測装置の各種メンテナンスに用いるメンテナンスボタン、ＳＥＭ式半導体計測装置の動作を終了させる終了ボタンを示したが、これら以外の機能が表示されていても本実施例の効果は損なわれることはない。なお、図１５は計測装置のメンテナンスをしている状態なので、メンテナンスの機能ボタン５６が活性の状態（黒く反転している状態）となっている。
【００３５】
メンテナンス画面６７には、メンテナンスの項目ごとに機能ボタン５６があり、機能ボタン５６の横にメンテナンスが行われた最新の日時が表示される構成になっている。各メンテナンスの項目ごとに校正が行われた最新の日時を表示することで、オペレータはＳＥＭ式半導体計測装置が定期的にメンテナンスされているか確認することができる。なお、図１５では検出系の特性を校正している状態なので、検出系特性の機能ボタン５６活性の状態（黒く反転している状態）となっている。
【００３６】
検出特性測定画面６８は、画像を表示する領域と測定する条件を設定する領域に分かれており、画像を表示する領域は、前述の図１１と同じ構成になっており、オペレータは光学画像、並びに走査像を任意に切り替え、モニタ上の画像を確認しながら、試料上で測定する箇所を探索することができる。測定する条件を設定する領域には、暗レベルと検出系特性、それぞれの項目についてチェックボタン６１があり、オペレータはチェックを付けるか否かで測定する項目を選択することができる。この測定する項目を選択できる機能を備えることで、不必要な測定を減らし、メンテナンスに要する時間を減らすことができる。また、測定の際にパラメータとなるプローブ電流と、検出系の回路定数（ブライトネスとコントラスト）については、測定するレンジと測定の間隔を数字で入力できるようになっており、オペレータは各々のウインドウに所望の数字を入力することで、測定のレンジと間隔を任意に調整し設定することができる。そして、測定結果の消去や、測定の開始、並びに測定結果の登録等、測定の際必要となる一連の動作は、各動作のコマンドボタン６０をオペレータが指示することで計測装置に実行させることができる。
【００３７】
本実施例のように、ＳＥＭ式半導体計測装置に検出系の特性を校正する機能を備えることで、計測装置間の個体差（機差）を低減させることができ、かつ高アスペクト構造の底を計測する際、必要となる４桁のダイナミックレンジを高精度に実現することができる。
【００３８】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、実施例１と同様の効果が得られる。また、検出した信号荷電粒子の強度を信号電流に換算する機能を備えることにより、複数の荷電粒子線装置の検出系の個体差を校正することができる。
【実施例３】
【００３９】
第３の実施例について、図１６と図１７を用いて説明する。なお、実施例１又は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。
実施例１では、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明し、計測に用いる信号波形とコンソール６のモニタに表示する走査像を独立のデータにすることで、必要最小限のデータサイズで高精度な計測を実現することができることを示した。本実施例３では、この利点を積極的に活用できるＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明する。本実施例ではＳＥＭ式半導体計測装置の概略構成は図１と同じだが、信号処理部の構成が大きく異なる。以下、本実施例の特徴である信号処理部４について詳細に説明する。
（信号処理部）
図１６は信号処理部４の概略構成図であり、信号処理部４は、切り替え回路Ａ ４２、メモリＡ ４３、メモリＢ ４４、メモリＣ ６９、画像処理回路４６、比較演算回路４７、信号処理回路４８で構成される。信号処理部４は、レベル調整回路３９及びＡＤ変換部４１を介して検出器２３に、またコンソール６に電気的な配線で接続され、コンソール６からの制御信号に基づき、検出器２３からの信号を処理し、コンソール６へ出力する。コンソール６からの制御は、レベル調整回路３９で検出器２３から送られる信号の増幅、オフセットを調整し、ＡＤ変換部４１で、走査信号に同期させデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号を、切り替え回路Ａ ４２を介し、信号波形はメモリＡ ４３またはメモリＢ ４４に、走査像はメモリＣ ６９にそれぞれ格納する。この後に続く信号波形を処理する比較演算回路４７並びに信号処理回路４８、そして走査像を処理する画像処理回路４６の動作は、図５と同じである。
【００４０】
ここで、図１６と図５に示した信号処理部４の概略構成図の違いは、信号波形及び走査像を一時的に記憶するメモリを、信号波形用のメモリ（メモリＡ ４３、メモリＢ ４４）と走査像用のメモリ（メモリＣ ６９）に分割したことである。
【００４１】
これまで、本実施例では高アスペクト構造の底を計測するために、信号波形に０．０１％の精度が必要であることを示してきた。この精度を実現するためには、検出系の精度を上げる工夫だけでなく、検出する信号電子自体にもそれだけの精度が要求される。この信号電子の精度がショットノイズに支配される場合、従来の精度である数％を０．０１％まで向上させるためには、信号波形を約１００００倍多く積算する必要がある。実施例１の構成ではメモリに格納された走査像の中から所望の領域を選択し、その領域の明度から信号波形を形成するため、走査像自体の積算回数を約１００００倍多くする必要があり、走査像の取得に多くの時間を要する。しかし、本実施例では信号波形と走査像のメモリが独立しているため、走査像自体の積算回数を必要以上に増やす必要がなく、必要最小限の時間で計測することができる。例えば、走査像の精度が８ｂｉｔで良いなら、走査像の積算回数は従来と同様の数回から多くても２５６回で良く、信号波形は走査像の中で計測したい領域だけを選択的に走査し、走査像の約１００００倍多く積算すれば良い。
（レシピ作成の手順）
図１７は本実施例で示した信号処理を自動で実施させるレシピの作成手順を説明したもので、実施例１で示した図９中の工程７と工程８のみを抜粋して示している。工程７では、計測する位置をテンプレートとして登録するが、実施例１と異なり走査像は信号処理部４内の専用のメモリＣ ６９に格納される。それ以外は、工程７−１から工程７−３まで図１０の説明と同じ手順でレシピを作成する。次に、工程８ではテンプレートとして登録したパターンを計測するが、工程８−１の信号波形の取得条件の設定だけが図１０と異なり、それ以降は図１０の説明と同じ手順でレシピを作成する。オペレータは、工程８−１で計測する位置に相当するカーソルの範囲を走査方向に対し直行する方向（走査の送り方向）に走査線を何本配置するか決め、その後走査線の積算回数を決める。図１７の（ｂ）は、信号波形の取得条件を説明した図であり、図ではカーソルの範囲にＮ本の走査線を配置している。ここで走査線の積算回数をＭとしたとき、走査線の本数Ｎと積算回数Ｍの積が、走査像の積算回数と比較し約１００００倍になるよう信号波形の取得条件を設定する。その後、オペレータは工程８−１で決めた信号波形の取得条件に従い、工程８−２で走査方向が異なる２つの信号波形をメモリＡ ４３、メモリＢ ４４にそれぞれ格納することで信号波形を取得することができる。
【００４２】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、上記実施例と同様の効果が得られる。また、信号波形用のメモリと走査像用のメモリとを分割することにより、走査像自体の積算回数を必要以上に増やす必要がなく、必要最小限の時間で計測することができる。
【実施例４】
【００４３】
第４の実施例について説明する。なお、実施例１乃至３のいずれかに記載され、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。
実施例１から実施例３で、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置の例を示してきたが、これまではＳＥＭ筐体１に設けられた１つの検出器２３で信号電子を検出し走査像と信号波形を形成していた。しかし、１つの検出系で４桁のダイナミックレンジを保障するには、検出した信号のレベルを調整するレベル調整回路３９に５桁以上のダイナミックレンジが必要になり、実現が困難な場合がある。本実施例４では、この課題を改善するＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明する。本実施例では検出器からデータを格納するメモリまでの部位を複数設け、信号電子２２の量に応じて検出系を使い分ける構成とした。この構成を用いることで、１つの検出系に要求されるダイナミックレンジを狭めることができ、レベル調整回路３９の設計が容易になる。以下、本実施例について図を用いて詳細に説明する。
【００４４】
図１８は、本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置の構成を示したものである。図１と同様に計測装置は、大きく分けて、ＳＥＭ筐体１、試料室２、筐体制御部３、信号処理部４、ステージ制御部５、ウェーハ搬送部８、真空排気部９で構成され、これら全てをコンソール６で制御できるよう構成されている。また、コンソール６はレシピや計測結果、取得した走査像を記憶できる大容量のストレージ媒体７を持ち、このストレージ媒体７に記録されたデータを元に、装置の動作や、データの管理を行う。本実施例は、検出系を複数系統設けていることが、今までの実施例と異なり、図１８では検出系が２系統ある場合を代表例として示した。以下、本実施例で示す各部位の中で、図１と異なる検出系の構成とその部位が果たす機能について抜粋して説明する。
（ＳＥＭ筐体）
ＳＥＭ筐体１では、試料２１で発生した信号電子２２を、２つの検出器（検出器Ａ ７０と検出器Ｂ ７１）で捕捉することが実施例１と異なり、図１８では検出器Ａ ７０と検出器Ｂ ７１で信号電子２２を同時に捕捉する構成を示している。検出器を複数用いる場合、図１８のように信号電子２２を複数の検出器で同時に補足しても良いが、信号電子２２の軌道を変え、各検出器で個別に信号電子２２を捕捉しても良い。
【００４５】
図１９は、図１８とは異なる形態で本実施例を実現する構成で、個別に信号電子２２を捕捉する場合の計測装置の概略構成を示している。図１９は、信号電子２２の捕捉に関わるＳＥＭ筐体１の一部と２つの検出系、そして筐体制御部３の筐体制御電源３２を示している。ＳＥＭ筐体１には、変換板１６と検出器Ａ ７０、検出器Ｂ ７１の他に、信号電子２２の軌道を各検出器の方向へ偏向するＥｘＢ偏向器７２が設けられている。ＥｘＢ偏向器７２は、電子源１１から試料２１の方向へ進行する一次電子線２０の軌道を変えず、それと逆方向に進行する信号電子２２の軌道を偏向するよう静電偏向器７５と電磁偏向器７６の偏向場がそれぞれ調整されている。２つの検出系は、実施例１と同様にレベル調整回路３９、３９’ＡＤ変換部４１、４１’並びに信号処理部４で構成されている。筐体制御部３の筐体制御電源３２は図１９の説明で必要なＥｘＢ偏向器７２を動作させる定電流回路７３と定電圧回路６６、並びに定電圧回路６６からの出力を切り替えるリレー回路７４で構成されている。図１９は、検出器Ａ ７０と検出器Ｂ ７１を対向するように配置した例で、ＥｘＢ偏向器７２は、どちらか一方の検出器で信号電子２２が捕捉されるよう、信号電子２２の偏向方向を反転させる。これは、正負両極性を出力する定電圧回路６６の出力をリレー回路７４で反転させ、かつ定電流回路７３の出力の極性を反転させることで実現できる。このように、複数の検出器で個別に信号電子２２を捕捉する場合においても、ＥｘＢ偏向器７２を用いることで、効率的に信号電子２２を検出器に導くことができる。
（信号処理部）
図２０は本実施例における図１８、並びに図１９の信号処理部４の概略構成図であり、検出器が２つあるため、それより後段のレベル調整回路からメモリまでが２系統あり、かつ各々の検出器の信号を合成する合成部７７が新規に設けられている。信号処理部４は２つの検出器７０、７１とコンソール６に電気的な配線で接続され、コンソール６からの制御信号に基づき、検出器からの信号を処理し、コンソール６へ出力する。コンソール６からの制御は、レベル調整回路３９、３９’で検出器から送られる信号の増幅、オフセットを調整し、ＡＤ変換部４１、４１’で、走査信号に同期させデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号は切り替え回路４２、４５を介し、各々のメモリ４３、４４、６９、８０に走査像として格納される。この検出器からメモリまでの信号処理は図５と同じだが、信号電子２２の量に応じて、各々の系統でレベル調整回路３９、３９’の増幅、オフセット調整を変えている。そのため、メモリに格納される走査像の明度は、各々の系統で異なり、新規に設けた合成部７７は、各メモリに格納されている走査像、並びに走査像から抽出された信号波形を合成する役割を果たす。
【００４６】
図２１は合成部７７における信号処理で、各メモリ４３、４４、６９、８０に格納されている走査像から信号波形を抽出し、抽出した信号波形を合成する手順を模式的に示している。各々の系統のメモリには、走査方向が約１８０度違うため、左右が反転した走査像が格納されている。まず、合成部７７ではどちらかの画像を左右反転させ、走査像どうしで位置合わせ処理を行う。ここで位置あわせの処理は、図６で説明した位置合わせと同じでよく、図２１ではこの処理に相当する図を省略している。次に、位置合わせの情報を基に、それぞれの走査像に対して波形を抽出するカーソルを合わせ、信号波形を抽出する。このカーソルの設定については、実施例１の（レシピ作成）で既に説明しており、図２１には抽出した信号波形を示している。ここで抽出した信号波形は、各々の系統で走査像の明度が異なるため、信号波形の強度と形が異なる。
【００４７】
図２１の中央は、１つの系統で、高アスペクト構造の上部の信号に精度をもたせ、もう１つの系統で高アスペクト構造の底の信号に精度をもたせる調整をした例を示している。この場合、前者の信号波形では高アスペクト構造の底に相当する領域の階調が０になり、後者の信号波形では高アスペクト構造の上部に相当する領域の階調が最大となる。これらの領域は、信号波形の振幅が検出系のダイナミックレンジを超えるため、階調が０又は最大に固定されており、信号の強度に意味がない。従って、これら２つの信号波形から階調が０又は最大の領域を切り捨てて、信号波形を合成する必要がある。
【００４８】
図２１の右側は、合成した信号波形を示しており、それぞれの系統から走査方向が同じ信号波形を選択し合成している。ここで、合成する処理では、信号波形が連続的に繋がるよう、信号強度のレベル補正と位置合わせが必要である。信号強度のレベル補正は、まず、２つの階調（Ｓ１とＳ２）を決め、高アスペクト構造の上部の階調がＳ２、底の階調がＳ１になるよう、それぞれの信号波形の強度にオフセットを与える。このとき、それぞれの信号波形で０又は最大の階調の領域を、Ｓ１並びにＳ２に合わせても意味がないので、高アスペクト構造の上部の信号に精度をもたせた信号波形はＳ２に、高アスペクト構造の底の信号に精度をもたせた信号波形はＳ１に合わせるようオフセットを調整する。次に２つの信号波形が連続的に繋がるよう位置を合わせるが、この処理は図７で示した方法でも良いし、図２１に示した信号波形の立上りで合わせても良い。最後に、２つの信号波形の立上り部が連続的に繋がるよう、それぞれの信号波形の階調を伸縮させ、１つの信号波形に合成させる。この合成は２つの信号波形から領域ごとに適切な信号を抽出する処理であり、２つの信号波形の交点を境界に交互に信号を抽出し、抽出した２つの信号波形のうち、波形の振幅が大きい方を正しい結果とする。上記の手順で、２つの系統で取得した強度並びに形が異なる２つの信号波形を、１つの信号波形に合成することができる。また、走査像を合成する場合は、まず上記の手順で信号波形を合成し、その際用いたレベル補正値と位置補正値を各々の走査像に適用することで、２つの走査像を１つの走査像に合成することができる。
【００４９】
なお、本実施例ではＡＤ変換部４１より後段の切り替え回路から、画像処理回路４６並びに信号処理回路４８までをコンソール６から独立した部位として記載したが、これらの機能はコンソール６に含まれる計算機でも行うことができる。コンソール６に含まれる計算機で上記処理を行う場合は、ＡＤ変換部４１より後段の部位がコンソールに集約できるため、計測装置の設置面積や製造コストの低減が期待でき、かつ本実施例の効果は損なわれない。
（ＧＵＩ画面）
図２２は、レシピ作成でオペレータが信号波形を合成する際、コンソール６のモニタに表示されるＧＵＩ画面の模式図である。ＧＵＩ画面はコンソール６から計測装置全般の動作を指示する総合画面５２と、走査像を表示する画像表示画面５３、検出した信号のレベルを調整するゲイン調整画面５４、本実施例で示した合成処理のパラメータを調整する合成処理調整画面７８で構成される。このＧＵＩ画面は、図９に示したレシピ作成の手順で、工程７の測定位置のテンプレートを登録した後に、自動的にコンソール６上のモニタに表示される。
【００５０】
本実施例では検出系が２系統あるため、ゲイン調整画面５４にはレベルを調整できるブライトネスとコントラストがそれぞれの検出系について設けられている。またゲイン調整画面５４には、画像表示画面５３に表示する走査像を選択できるプルダウンボタン５７が新規に設けられており、オペレータはこのボタンを操作することで、検出器を選択することができる。
【００５１】
合成処理調整画面７８は、オペレータが図２１の手順でパラメータを調整する画面で、信号波形を合成する領域と、走査像を合成する領域に分かれている。信号波形を合成する領域には、各々の検出系で得られる信号波形と、合成した信号波形が表示されており、プルダウンボタン５７で合成した後の信号波形のｂｉｔ数と位置合わせの方式をオペレータが選択できる構成になっている。また、合成する際に決める２つの階調（Ｓ１とＳ２）は、信号波形上に表示されたレベルカーソルを、オペレータが手動で調整し決めることができる。走査像を合成する領域は、信号波形の場合と同様にプルダウンボタン５７で合成した後の走査像のｂｉｔ数と位置合わせの方式をオペレータが選択できる構成になっている。図２１の手順を進めるうえで必要になる、信号波形の抽出や信号波形の合成、並びに調整結果の保存は、合成処理調整画面７８の下部に配置されたコマンドボタン６０をオペレータがクリックすることで実施させることができる。なお、これまで説明してきた手順をオペレータが全て手動で行うと、合成するパラメータの調整に試行錯誤が必要となる。従って、オペレータがｂｉｔ数、位置合わせの方式、並びに合成する際に決める２つの階調（Ｓ１とＳ２）だけ決めたら、合成のコマンドボタン６０をクリックするだけで、コンソール６は、自動的に各検出系のレベルを調整し、信号波形は連続的に、走査像は自然なコントラストに最適化できる機能を備えているのが好ましい。
【００５２】
以上がＳＥＭ式半導体計測装置で、試料から放出される信号電子の量に応じて、複数ある検出器を使い分ける例であり、本実施例を用いることで、１つの検出系に要求されるダイナミックレンジを狭めることができ、レベル調整回路３９の設計が容易になる。また、合成した信号波形を用いて計測する手段は、実施例１で示した信号波形の再構築がそのまま活用できるので、本実施例の構成でも高アスペクト構造の底を計測することができる。なお、本実施例では複数の検出系を用いるため、検出系の個体差の影響は否めない。しかし、本実施例に実施例２で示した検出系の特性を校正する手法を併用することで、信号波形並びに走査像を高精度に合成することが可能になる。
【００５３】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、上記実施例と同様の効果が得られる。また、複数の検出器を備え、試料から放出される信号電子の量に応じて、複数ある検出器を使い分けることにより、１つの検出系に要求されるダイナミックレンジを狭めることができる。
【実施例５】
【００５４】
第５の実施例について説明する。なお、実施例１乃至４のいずれかに記載され、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。
実施例４では、ＳＥＭ式半導体計測装置で、試料から放出される信号電子の量に応じて、複数ある検出器を使い分ける例を示したが、レベル調整回路３９のダイナミックレンジが多段階に設定できる場合、１つの検出器でも実施例４と同様の機能を実現することができる。本実施例では多段階にダイナミックレンジを設定できるレベル調整回路３９を備えたＳＥＭ式半導体計測装置の構成について説明する。この場合、実施例４と比較し、検出系の系統数が少なくなるため、計測装置の製造原価が低減し、今まで説明した機能を安価に実現することができる。以下、本実施例について図を用いて詳細に説明する。
（信号処理部）
図２３は本実施例における信号処理部４の概略構成図であり、多段階にダイナミックレンジを設定できるレベル調整回路３９を備えているため、その段数に応じた複数のメモリ４３、４４、６９・・・９０を備えている。信号処理部４は、レベル調整回路３９とＡＤ変換部４１を介して検出器２３に、またコンソール６に電気的な配線で接続され、コンソール６からの制御信号に基づき、検出器２３からの信号を処理し、コンソール６へ出力する。コンソール６からの制御は、レベル調整回路３９で検出器２３から送られる信号の増幅、オフセットを調整し、ＡＤ変換部４１で、走査信号に同期させデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号は切り替え回路Ａ ４２を介し、各々のメモリに走査像として格納される。この検出器からメモリまでの信号処理は図５と同じだが、コンソール６からの制御信号に基づき、レベル調整回路３９の増幅率、オフセットが多段階に設定され、その設定ごとに異なるメモリ４３、４４、６９・・・９０に走査像が格納されることが図５と異なる。各々のメモリには、左右が反転した一対の走査像が、レベル調整回路３９の設定ごとに格納されており、これらを用いて合成部７７は１つの信号波形並びに走査像を合成する。ここで、合成部７７は各メモリの走査像から信号波形を抽出し、連続的になるよう信号波形を合成するが、本実施例では実施例４ほど難しい処理は必要ない。なぜなら、本実施例は多段階のダイナミックレンジをレベル調整回路３９の設定だけで実現しているので、実施例２で示した手法を適用するだけで、連続的な信号波形を合成できる。ここでは、信号波形の合成について取り上げたが、走査像についてもほぼ同様の手順で合成することができる。合成した走査像は表示の目的で使われ、計測には用いないため、合成部７７は合成した走査像が自然なコントラストになるよう、各メモリに格納されている走査像の階調を伸縮させるだけでよい。
【００５５】
以上が多段階にダイナミックレンジを設定できるレベル調整回路を備えたＳＥＭ式半導体計測装置の例であり、実施例４で説明した機能を安価に実現することができる。また、合成した信号波形を用いて計測する手段は、実施例１で示した信号波形の再構築がそのまま活用できるので、本実施例の構成でも高アスペクト構造の底を計測することができる。
【００５６】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、上記実施例と同様の効果が得られる。また、多段階にダイナミックレンジを設定できるレベル調整回路を備えることにより、検出系の系統数が少なくなるため、計測装置の製造原価が低減することができる。
【実施例６】
【００５７】
第６の実施例について説明する。なお、実施例１乃至５のいずれかに記載され、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。
これまでは、高アスペクト構造としてラインアンドスペースのパターンを例に、走査方向が約１８０度異なる２枚の走査像に着目した信号処理を取り上げてきた。この信号処理で実施例の効果が説明できたのは、ラインアンドスペースではパターンのエッジが一方向にしかないためであり、エッジが全方位にあるコンタクトホールに対しては、今までの実施例では不十分である。本実施例では、エッジが全方位にあるコンタクトホールについて、高アスペクト構造の底の計測精度を改善するＳＥＭ式半導体計測装置を説明する。ＳＥＭ式半導体計測装置の構成は、これまでの実施例と同じだが、信号波形、並びに走査像を再構築する処理が今までと異なる。以下に、本実施例の特徴である信号波形、並びに走査像を再構築する処理について説明する。
【００５８】
図２４は、本実施例における信号波形、並びに走査像を再構築する処理を示しており、図の左から一次電子線の走査、信号電子の取り込み、エッジの抽出、走査像の再構築を示している。図２４の中で信号波形のエッジの抽出と再構築については、図２５、並びに図２６を用いて詳細に説明する。まず、コンタクトホールでは全方位にエッジが存在するため、一次電子線も全方位（３６０度）に走査する必要がある。図２４の左は、方位角０、４５、９０度に走査方向を変えた例を示しており、どの走査方向でも視野の全域が隈なく走査されるよう、走査する領域は視野の１．４倍以上にする必要がある。そして、試料から放出された信号電子は、走査方向に依存した座標系で取り込まれるため、各々の走査像では、視野内の各点を異なる座標でサンプリングすることになる。図２４の例では、走査方向が０度の場合は視野の左下を（３，４）の画素、４５度の場合は（１，１０）、９０度の場合は（３，１６）でサンプリングすることになる。本実施例では、全方位に対して走査像を取得しているが、コンタクトホールのエッジを検出系の立上り応答で捉えられるのは、エッジの接線に対し法線方向で、且つ接点を通過する走査線だけである。従って、視野の中央に１つのコンタクトホールがある図２４では、エッジを検出系の立上り応答で捉えている走査線は、各々の走査像の中で１〜数本程度となる。走査像からこのエッジを抽出するには、走査方向に微分した画像の中から明るい座標を抽出し、走査像からその座標に相当する階調のみ有効なデータとして抽出する。全ての走査方向について、有効なデータを抽出したら、それら全てを加算平均することで、検出系の立上り応答でエッジを捉えた走査像を再構築できる。
【００５９】
次に図２５で、走査像の中からこの走査線を抽出し信号波形を形成する手法について説明する。図２５の左は、走査線の送り方向に走査像を分割した際得られる信号波形を示しており、コンタクトホールの場合、エッジの間隔は走査線の送り方向に進むにつれ広がり、極大値を経てから縮小する。ここで、エッジの接線に対し法線方向で、且つ接点を通過する走査線は、エッジの間隔が極大となる走査線であり、各々の走査像に対しエッジの間隔が極大になる走査線を抽出することで、エッジを検出系の立上り応答で捉えた信号波形を抽出することができる。なお、このようにエッジ間の距離の極大値から走査線を抽出しても良いが、コンタクトホールの形状が扁平している場合は、走査線ごと順番にエッジ間の距離を計測し、エッジ間の距離の変化が最小になる走査線を抽出しても良い。この段階では各々の信号波形に、検出系の立下り応答の信号も含まれているため、これまでと同様に信号波形から検出系の立上り応答の領域を抽出する必要がある。実施例１と同様の手法を用いても良いが、図２６では信号の微分波形を活用し、検出系の立上り応答の領域を抽出する。図２６の中央は、信号波形とその微分波形を示しており、微分波形では検出系の立上り応答の領域に正のピークが見られる。この微分波形が正のピークになる領域の信号を信号波形から抽出することで、検出系の立上り応答の領域を抽出することができる。そして、図２６の右は、信号波形の再構築を示しており、その手順は全ての方向の信号波形から方向が約１８０度異なる一対の信号波形を選び出し、エッジ間の中央が重なるよう位置を合わせ、一対の信号波形を足し合わせる。次に全ての方向の信号波形に対してこの処理を行い、最後にエッジ間の中央を基準に全ての信号波形を加算平均する。これにより、検出系の立上り応答だけを用いたコンタクトホールの信号波形を再構築することができる。
【００６０】
以上が、コンタクトホールに対して高アスペクト構造の底の計測精度を改善するＳＥＭ式半導体計測装置の信号処理である。本実施例ではコンタクトホールに対象を絞って説明したが、エッジが複数の方位に存在する複雑なパターンに対しても上記と同様の処理で高アスペクト構造の底を計測することができる。
【００６１】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてコンタクトホール底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、上記実施例と同様の効果が得られる。また、荷電粒子線を試料に対し複数方位に走査することにより、エッジが複数の方位に存在する複雑なパターンに対しても高精度に計測が可能となる。
【００６２】
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分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全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換えることも可能であり、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。
【符号の説明】
【００６３】
１…ＳＥＭ筐体、２…試料室、３…筐体制御部、４…信号処理部、５…ステージ制御部、６…コンソール、７…ストレージ媒体、８…ウェーハ搬送部、９…真空排気部、１０…試料準備室、１１…電子源、１２…第１コンデンサレンズ、１３…絞り、１４…プローブ電流計測部、１５…第２コンデンサレンズ、１６…変換板、１７…偏向器、１８…対物レンズ、１９…高さセンサ、２０…一次電子線、２１…試料、２２…信号電子、２３…検出器、２４…ステージ、２５…絶縁体、２６…試料フォルダ、２７…ミラー、２８…リターディング電源、２９…レーザ計測装置、３０…ステージ駆動装置、３１…電子銃電源、３２…筐体制御電源、３３…プローブ電流計測装置、３４…ビーム制御回路、３５…搬送制御部、３６…搬送ロボット、３７…バルブ、３８…増幅器、３９，３９’…レベル調整回路、４１，４１’…ＡＤ変換部、４２…切り替え回路Ａ、４３…メモリＡ、４４…メモリＢ、４５…切り替え回路Ｂ、４６…画像処理回路、４７…比較演算回路、４８…信号処理回路、４９…不連続点、５１…カーソル、５２…総合画面、５３…画像表示画面、５４…ゲイン調整画面、５５…測長条件調整画面、５６…機能ボタン、５７…プルダウンボタン、５８…スクロールバー、５９…ウインドウ、６０…コマンドボタン、６１…チェックボタン、６２…データシート、６３…特性データ、６４…ブランキング装置、６５…ファラデーカップ、６６…定電圧回路、６７…メンテナンス画面、６８…検出特性測定画面、６９…メモリＣ、７０…検出器Ａ、７１…検出器Ｂ、７２…ＥｘＢ偏向器、７３…定電流回路、７４…リレー回路、７５…静電偏向器、７６…電磁偏向器、７７…合成部、７８…合成処理調整画面、８０，９０…メモリ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置又は液晶等の微細な回路パターンの寸法を計測することを目的とした荷電粒子線装置及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造ラインでは回路パターンの寸法管理が歩留り向上、品質管理に不可欠な技術として位置付けられている。この寸法管理には、高い空間分解能を実現する電子顕微鏡を応用したＣＤ−ＳＥＭ（Critical-Dimension Scanning Electron Microscope）が用いられる。ＣＤ−ＳＥＭはＳＥＭ特有の高い空間分解能と深い焦点深度を利用して、回路パターンの横方向（回路パターンの面内方向）の寸法計測を行い、サブｎｍの計測精度を実現する。従来の電子線式の検査装置や検査方法については、例えば特許文献１〜２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１６３４２０号公報
【特許文献２】特表平０８−５０６６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置の更なる高集積化を実現するため、近年リソグラフィーの分野では、転写時に誤差が発生しやすい箇所（ホットスポット）をＣＤ−ＳＥＭで観察し、観察画像と設計時のＣＡＤ（Computer Aided Design）データとの比較から転写の誤差を計測する方法が提案されている。例えば、特許文献１では、パターンの形状を正確に計測するため、電子線を往復で走査させ画像を取得し、電子線の侵入方向に対し逆側のパターン輪郭の信号を使う技術が開示されている。また、特許文献２では、転写されたパターンが絶縁体であることに着目し、帯電による像障害を解消するため、往復に電子線を走査させ、それらの信号を加算平均する技術が開示されている。これらは、転写されたレジストの形状を正確に計測する技術であり、露光装置の状態を管理するうえで非常に有効と言える。
【０００５】
しかし、半導体装置の高集積化には、リソグラフィーだけでなく回路パターンを加工するエッチングの高精度化も不可欠である。近年の２Ｘｎｍノードのデバイスを実現するにはアスペクト比で１０以上の加工が要求され、加工した溝や孔の底をＣＤ−ＳＥＭで計測することが不可欠と言われている。図２はアスペクト比と、溝並びに孔の底から放出される信号電子の関係を示した図で、縦軸は溝上面から放出される信号電子を１００とし、アスペクト比の増大に伴う信号電子の低下を百分率で示している。図中の実線並びに破線は、溝底の中央部から放出される信号電子と、角部から放出される信号電子を示しており、アスペクト比の増大に伴い、放出される信号電子の見込み角（α）が小さくなるため、信号電子は単調に低下する。そして、これら溝底中央部と角部から放出される信号電子の差が、溝並びに孔の底を計測する際、信号電子の検出に必要となる精度を示している。一般的なレジストパターンの計測では、アスペクト比が１前後であるため、４％程度の精度で検出した信号を画像化すれば、溝並び孔の底を計測することができる。しかし、エッチングが完了したパターンでは、アスペクト比１０で０．０５％、アスペクト比６０で０．０１％の精度で検出した信号を画像化する必要があり、ＣＤ−ＳＥＭの信号検出系に極めて高い精度が要求されることがわかる。
【０００６】
一方、図３ＡはＳＥＭの検出系に一般的に用いられる各部品の応答遅れを示したもので、図３Ｂは図３Ａの検出系を用いた場合に観測される信号波形を示している。図３Ａには、代表例として信号電子を光に変換する蛍光体と、変換された光を再度電子に変換し増幅させる光電子増倍管の応答遅れを示しており、これらの部品は発光時間、並びに立上り時間が十分早いため、残光時間と立下り時間をもって応答遅れと表記した。各部品のカタログ等では、信号強度の９０−１０％を残光時間、並びに立下り時間と定義する場合が多く、図３Ａに示した蛍光体の残光時間は１００ｎｓ弱、光電子増倍管の立下り時間は３０ｎｓ弱と言われている。しかし、この検出系を用いて先に述べた０．０１−０．０５％の精度を議論する場合、蛍光体で数μｓ、光電子増倍管で１００ｎｓ弱の応答遅れを考慮する必要がある。図３Ｂはパターンの断面形状と、そのパターンに対し電子線を紙面の左から右へ走査した場合に得られる信号波形を示している。電子線がパターンの凸部に進入する際は、蛍光体並びに光電子増倍管の応答が十分早いため、溝の底の角に対応した信号波形が得られるが、電子線が凸部から凹部に進入する際は、応答遅れの影響で溝の底の角に対応した信号波形を観測することができない。つまり、従来の技術で高アスペクト構造の底を計測することは、極めて困難と言える。
【０００７】
今後、半導体装置の更なる高集積化を実現するためには、先行技術で取り上げた、リソグラフィーで転写したパターンの計測だけでなく、エッチングにより加工が完了した高アスペクト構造の計測が不可欠である。本発明の目的は、高アスペクト構造であっても、パターン底部の寸法を高精度に計測できる荷電粒子線装置及び計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための一実施形態として、凹凸パターンが形成された試料の所定の領域に収束した荷電粒子線を走査させる偏向器と、前記荷電粒子線を前記試料の所定の領域に走査することにより前記試料から発生した荷電粒子を検出する検出器と、前記検出器で検出された荷電粒子信号に基づく走査像を処理する信号処理部とを備えた荷電粒子線装置において、前記信号処理部は、前記荷電粒子線が第１方向に走査されたときの前記試料の所定の領域からの荷電粒子信号に基づく第１走査像と、前記第１方向とは逆の第２方向に走査したときの前記試料の前記所定の領域からの荷電粒子信号に基づく第２走査像とを記録するメモリと、前記メモリに記録された前記第１走査像と前記第２走査像を比較する比較演算回路と、前記第１走査像と前記第２走査像において、走査像の信号強度が小さい方を正しい値とし、走査像を再構築する信号処理回路とを具備していることを特徴とした荷電粒子線装置とする。
【０００９】
また、凹凸パターンが形成された試料に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を走査像として記憶する工程と、前記走査像を用いて前記試料の寸法を計測する工程を含む計測方法において、第１走査方向に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を第１走査像として記憶する工程と、前記試料の同一領域に対し、前記第１走査方向とは逆の第２走査方向に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を第２走査像として記憶する工程と、前記第１走査像と前記第２走査像とを比較し、走査像の信号強度が小さい方を真値とし、走査像を再構築する工程と、前記再構築した走査像を用いて前記試料に形成されたパターン底部の寸法を計測する工程とを含むことを特徴とする計測方法とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、上記構成とすることにより、高アスペクト構造であっても、パターン底部の寸法を高精度に計測できる荷電粒子線装置及び計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）の概略構成図（一部断面図）である。
【図２】アスペクト比と溝並びに孔の底から放出される信号電子の関係を示す図である。
【図３Ａ】ＳＥＭの検出系に一般的に用いられる各部品の応答性を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの検出系を用いた場合に観測される信号波形を示す図である。
【図４】本実施の形態の一例を説明するためのフロー図である。
【図５】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号処理部の概略構成図である。
【図６】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の処理を説明するためのフロー図である。
【図７】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の位置合わせ処理を説明するための図である。
【図８】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の再構築処理を説明するための図である。
【図９】荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるレシピ作成の手順を説明するためのフロー図である。
【図１０】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるレシピ作成の手順を説明するためのフロー図である。
【図１１】第１の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるレシピ作成のＧＵＩ画面の模式図である。
【図１２】第２の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における検出系特性の補正処理の概略構成図である。
【図１３】第２の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるプローブ電流計測装置の概略構成図（一部断面図）である。
【図１４】第２の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における検出系特性の補正処理のフロー図である。
【図１５】第２の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における検出系特性の補正のＧＵＩ画面の模式図である。
【図１６】第３の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号処理部の概略構成図である。
【図１７】第３の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の処理を説明するためのフロー図である。
【図１８】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）の概略構成図（一部断面図）である。
【図１９】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における検出系の概略構成図（一部断面図）である。
【図２０】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号処理部の概略構成図である。
【図２１】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の位置合わせ処理を説明するための図である。
【図２２】第４の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるレシピ作成のＧＵＩ画面の模式図である。
【図２３】第５の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号処理部の概略構成図である。
【図２４】第６の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における走査像形成を説明するための図である。
【図２５】第６の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）におけるエッジの抽出を説明するための図である。
【図２６】第６の実施例に係る荷電粒子線装置（ＳＥＭ式半導体計測装置）における信号波形の再構築処理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施の形態では、高アスペクト構造の底部のパターン寸法を計測するため、パターン上の同一領域に対し走査方向が異なる複数枚の走査像を取得し、それらから検出系の立上り応答だけを使った走査像を再構築する。図４は本実施の形態における寸法計測処理の一例を示した図であり、図３Ｂに示した断面形状を有するパターンに対し、本処理を適用し信号波形を再構築した例である。図３Ｂでも説明したように、紙面に対し左から右へ電子線を走査させた場合、凸部の左側では溝の底の角に対応した信号波形が得られ、右側ではそれに対応した信号波形は得られない。一方、紙面に対し、右から左へ電子線を走査させた場合は、前述の逆で凸部の右側で溝の底の角に対応した信号波形が得られ、左側ではそれに対応した信号波形は得られない。これら２つから検出系の立上り応答だけを使った信号波形を再構築するために、本処理では２つの信号波形を比較し、信号の強度が低い方を真値とし信号波形を再構築する。再構築することで溝の底の角に対応した信号波形が抽出でき、溝の底の寸法計測が始めて可能になる。
【００１３】
本処理では同一の箇所で最低２枚の走査像を取得するため、従来に比べ撮像に２倍以上の時間が必要になる。しかし、パターンに対し直行し走査方向が約１８０度異なる２つの走査像を用いることで、従来では困難であった高アスペクト構造の底の寸法計測が可能になることを見出した。なお、ここでは寸法計測を例に本実施の形態を説明したが、この技術は検査においても有効な技術であり、半導体装置の開発や、量産におけるプロセス変動のモニタリングまで様々な用途に適用できる技術である。
【００１４】
以下、実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例では、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明する。なお、実施例においては電子線を用いた場合について説明するが、イオン線を用いた場合にも適用可能である。本実施例で説明する荷電粒子線装置の一つであるＳＥＭ式半導体計測装置は、ウェーハ上の同一箇所をパターンに対し直行し、かつ走査方向が約１８０度異なる２つの走査像をメモリに格納する。そして、各々の走査像から得られる信号波形を比較し、信号の強度が低い方を真値とし信号波形を再構築し、再構築した波形を用いてパターンの寸法を計測することを特徴とする。
【００１６】
図１は本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置の構成を示したものである。以下、本実施例のＳＥＭ式半導体計測装置の基本的な構成について説明する。計測装置は、大きく分けて、ＳＥＭ筐体１、試料室２、筐体制御部３、信号処理部４、ステージ制御部５、ウェーハ搬送部８、真空排気部９で構成され、これら全てをコンソール６で制御できるよう構成されている。コンソール６はレシピや計測結果、取得した走査像を記憶できる大容量のストレージ媒体７を持ち、このストレージ媒体７に記録されたデータを元に、装置の動作や、データの管理を行う。ここでＳＥＭ筐体１、試料室２は真空排気部９に含まれる排気ポンプにより真空が維持されており、目的に応じてコンソール６から真空排気部９を制御し、ＳＥＭ筐体１及び試料室２、試料準備室１０の排気やリークをすることができる。以下、各部位について構成とその部位が果たす機能について順を追って説明する。なお、同一符号は同一構成要素を示す。
（ＳＥＭ筐体）
ＳＥＭ筐体１は、電子源１１、第１コンデンサレンズ１２、絞り１３、プローブ電流計測部１４、第２コンデンサレンズ１５、変換板１６、偏向器１７、対物レンズ１８、高さセンサ１９で構成される。電子源１１より放出された電子線は、一次電子線２０として第１コンデンサレンズ１２で収束されてから、プローブ電流を制限する絞り１３に照射される。絞り１３を通過し、プローブ電流を制限された一次電子線２０は、変換板１６の中央に設けられた穴を通過するよう、第２コンデンサレンズ１５で再度収束される。変換板１６を通過した一次電子線２０は、試料２１上の所望の領域を２次元的に走査するよう偏向器１７で軌道を変えられてから対物レンズ１８で試料２１上に収束して照射される。ここで、試料室２に設置された試料２１には、一次電子線２０を減速させる電圧が印加されており、試料２１から放出された信号電子２２は試料２１に印加された電圧に応じたエネルギーまで加速される。加速された信号電子２２は対物レンズ１８、偏向器１７を通過し変換板１６に衝突してから、信号電子２２を引き込むよう高電圧が印加された検出器２３で補足される。上記は、ＳＥＭ筐体の一般的な構成だが、本実施例では走査方向が約１８０度異なる２枚の走査像を比較するため、２枚の走査像で走査信号が正確に反転している必要がある。走査信号の周波数が遅い場合は、偏向器１７に電磁方式を用いても良いが、周波数が早くなると、ＳＥＭ筐体で交流磁場による渦電流が発生し、走査信号を正確に反転させるのが難しくなる。走査信号の周波数が遅い場合、１画素あたりの信号電子が増えるため、高いＳ／Ｎの走査像を得ることができる。しかし、その反面、一次電子の照射時間が長くなるため、試料２１の帯電が像障害を引き起こす場合がある。このような場合は、上記の偏向器１７に静電方式を採用するだけで、幅広い周波数帯の走査が可能になり、試料２１の帯電による像障害を低減することができる。その結果、帯電による像障害が発生しやすい絶縁体の試料においても、本実施例を適用することができる。
（試料室、ステージ制御部、並びにウェーハ搬送部）
試料室２はステージ２４、絶縁体２５、試料フォルダ２６、ミラー２７で構成される。試料フォルダ２６と接地されたステージ２４とは、絶縁材２５で電気的に絶縁されており、試料２１、ミラー２７は、試料フォルダ２６に対し電気的に接地されており、試料フォルダ２６には試料室２の外部からフィードスルーを介し高電圧を印加することができる。試料フォルダ２６にリターディング電源２８から高電圧を印加することで、試料２１に高電圧が印加され、試料２１に入射する一次電子線２０のエネルギーを任意に調整することができる。
【００１７】
また、ステージ制御部５内のステージ駆動装置３０により、ステージ２４はＳＥＭ筐体１の中心軸に対し垂直方向に２次元的に駆動し、試料フォルダ２６全ての領域をＳＥＭ筺体１の中心軸の直下に移動させることができる。なお、ミラー２７は試料２１の位置を計測するため、試料フォルダ２６に取り付けられており、ステージ制御部５内にあるレーザ計測装置２９から試料室２の真空を隔壁するガラス窓を介してレーザが照射できる構成となっている。このようにレーザ計測装置２９で試料２１の位置を計測することで、微細なパターンが集積された半導体パターンでも、所望の位置の走査像を得ることができる。
【００１８】
ウェーハ搬送部８は搬送制御部３５と搬送ロボット３６で構成される。ウェーハ搬送部８は、コンソール６からの制御信号に基づき搬送制御部３５が搬送ロボット３６を制御し、ウェーハ搬送部８に設置された試料２１を、試料準備室１０に搬送する。ここで、試料２１はウェーハ搬送部８から試料準備室１０、そして試料室２へと段階的に搬送されるが、各部の間にはバルブ３７が設けられている。コンソール６はバルブ３７と真空排気部９を制御し、搬送の動作中も試料室２の真空が常に維持できるよう、試料２１を自動で搬送することができる。
（筺体制御部）
筐体制御部３は、コンソール６から送られる制御信号に基づき、ＳＥＭ筐体１に含まれる電子源１１や各種レンズを動作させる。筺体制御部３は電子銃電源３１、筺体制御電源３２、プローブ電流計測装置３３、リターディング電源２８で構成され、電子銃電源３１は電子源１１に陰極電圧を印加し、電子が安定して放出されるよう電子源１１を動作させる。また、筺体制御電源３２は第１コンデンサレンズ１２、第２コンデンサレンズ１５、対物レンズ１８各々に電流を供給し、コンソール６からの制御信号に基づき各レンズに供給する電流を設定することができる。プローブ電流計測装置３３はプローブ電流計測部１４で検出した一次電子線２０のプローブ電流を計測することができる。リターディング電源２８は、コンソール６からの制御信号に基づき、前述に従い試料フォルダ２６に高電圧を印加することができる。
（ビーム制御回路、並びに信号処理部）
ビーム制御回路３４、並びに信号処理部４は、コンソール６から送られる制御信号に基づき、試料２１の走査像を形成する。走査像を形成するため、ビーム制御回路３４は偏向器１７に走査信号を送り、信号処理部４は検出器２３で取り込んだ信号電子２２を走査信号に同期させてサンプリングする。なお、符号３９はレベル調整回路、符号４１はＡＤ変換部を示す。
【００１９】
以下、本実施例の特徴である信号処理部４について詳細に説明する。図５は信号処理部４の概略構成図であり、信号処理部４は、切り替え回路Ａ ４２、メモリＡ ４３、メモリＢ ４４、切り替え回路Ｂ ４５、画像処理回路４６、比較演算回路４７、信号処理回路４８で構成される。信号処理部４は、レベル調整回路３９及びＡＤ変換部４１を介して検出器２３に、またコンソール６に電気的な配線で接続され、コンソール６からの制御信号に基づき、検出器２３からの信号を処理し、コンソール６へ出力する。コンソール６からの制御は、レベル調整回路３９で検出器２３から送られる信号の増幅、オフセットを調整し、ＡＤ変換部４１で、走査信号に同期させデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号を、切り替え回路Ａ ４２を介し、メモリＡ ４３またはメモリＢ ４４に走査像として格納し、切り替え回路Ｂ ４５を介してそれぞれのメモリに格納されている走査像を選択して画像処理回路４６へ出力する。ここで画像処理回路４６には、入力されてきた走査像に対し、平滑化や先鋭化等のフィルター機能や、明度の線形、非線形変換等のレベル調整機能、及びデータの圧縮機能を有し、これらの機能はコンソール６を制御するオペレータが自由に選択することができる。通常は、先に述べたように高アスペクト構造の底から放出される信号電子は非常に少ないため、計測には走査像の明度に４桁程度のダイナミックレンジ（＝０．０１％の精度）が必要となり、走査像のデータサイズは非常に大きなものとなる。しかし、本実施例で示した計測する信号波形と、表示する走査像とを独立のデータとし、走査像は目視で最適な画質に調整できる機能を有することで、計測精度を気にすることなく走査像のデータサイズを圧縮することができる。これにより、走査像には４桁のダイナミックレンジ（１４ｂｉｔ）が必要とされたものが、通常のグレースケール画像で必要とされる（８ｂｉｔ）まで圧縮することができる。
【００２０】
次に信号処理部４における信号波形の処理について説明する。図６は、図５中のメモリＡ ４３とメモリＢ ４４に格納されている走査像から、比較演算回路４７を介して信号波形を抽出し、信号処理回路４８を介して信号波形を再構築し、計測するまでのフローを模式的に示したものである。メモリＡ ４３とメモリＢ ４４には走査方向が約１８０度違うため、左右が反転した走査像が格納されている。まず、比較演算回路４７ではどちらかの画像を左右反転させ、走査像同士で位置合わせ処理を行う。ここで位置あわせの処理は、走査像の各画素ごとの階調の差から差画像を形成し、どちらか一方の走査像をずらしながら差画像の標準偏差が最小になるよう、走査像間の位置を合わせる。なお、位置合わせの処理には、走査像そのものを用いても良いが、フーリエ変換で位相の情報だけを抽出した画像を用いても良い。次に、位置合わせの情報を基に、それぞれの走査像に対して波形を抽出するカーソルを合わせ、信号波形を抽出する。ここで波形を抽出するカーソルの設定については、後の（レシピ作成）で詳細に述べる。そして、抽出した２つの信号波形同士を比較し、より高精度に位置を合わせ、その後信号処理回路４８で信号波形を再構築し計測を行う。上述のように比較演算回路４７では、走査像と信号波形の２段階で位置を合わせる。走査像に対する位置合わせは、走査方向が異なる２つの走査像間で、先に述べた信号波形を抽出するカーソルがずれることを防ぐために必要となる。また、信号波形に対する位置合わせは、カーソルを合わせて同一の領域の信号波形を抽出したとしても、試料の汚染や走査信号に重畳するノイズの影響で信号波形の高さや位置は完全には一致しないため必要となる。このように、２段階で位置を合わせることにより、試料２１の帯電や試料の汚染、ダメージ等で２つの走査像の視野が微妙にずれる場合においても、本実施例を適用することができる。
【００２１】
図７は信号波形の位置合わせ処理の一例を説明した図で、メモリＡ ４３とメモリＢ ４４から抽出した各々の信号波形に対する、レベル補正と位置合わせの２段階の処理を示している。レベル補正は信号波形の高さを合わせる処理で、図７に示すよう階調が低い領域の平均階調（Ｓ１）と、階調が高い領域の平均階調（Ｓ２）を規定し、各々の信号波形でＳ１とＳ２が同じになるよう、比較演算回路４７は各々の信号波形の階調を伸縮させる。ここで、図７では信号波形のピークをＳ２としていない。これはレベルを補正する際、信号波形のピークの高さがバラつき、Ｓ２の誤差で間違った補正をしないためであり、信号波形のピークの高さがほぼ一定であるなら、ピークの平均階調をＳ２としても問題ない。また、レベル補正後の位置合わせ処理は、連続的な信号波形を再構築するための処理で、図７に示すよう信号波形のピーク間の中間位置が一致するよう、各々の信号波形の画素を移動または伸縮させる。ここで、図７ではピーク間の中間位置が２つの場合を例に示したが、合わせる中間位置が多ければ多いほど正確な位置合わせができる。オペレータは、先に示したＳ１とＳ２、そして比較演算回路４７が自動で抽出するピーク間の中間位置の数を、レシピを作成する段階で規定し信号波形の位置を合わせることができる。
【００２２】
図８は信号波形の再構築処理の一例を説明した図で、比較演算回路４７より信号処理回路４８に入力される２つの信号波形と、それらを用いた信号波形の再構築と平滑化を示している。再構築は、図４と同様に２つの信号波形を比較し、信号の強度が低い方を真値とし信号波形を再構築することで実現することができる。しかし、先に示した位置合わせをしても、再構築した信号波形では不連続点４９が存在し、計測誤差の要因となる。そこで、信号処理回路４８では再構築した信号波形を平滑化し、計測誤差を低減させる。このように再構築をする処理に平滑化の機能を加えることで、安定し、計測誤差の少ない計測装置を実現することができる。また、上記では信号波形のデータサイズについて明記していないが、コンソール６に表示する走査像を８ｂｉｔ、計測に用いる信号波形を１４ｂｉｔ以上とすることで必要最小限のデータサイズで高精度な計測を実現することができる。データサイズが小さくなることで、ストレージ媒体７には大量の計測結果が保存でき、且つデータ処理を高速化できるため、計測装置の処理速度の観点でも有利となる。以上に説明した位置合わせ処理及び再構築処理を施すことで、高アスペクト構造の底に対して安定した寸法計測を実現することができる。
【００２３】
なお、本実施例ではＡＤ変換部４１より後段の切り替え回路Ａ ４２から、画像処理回路４６並びに信号処理回路４８までをコンソール６から独立した部位として記載したが、これらの機能はコンソール６に含まれる計算機でも行うことができる。コンソール６に含まれる計算機で上記処理を行う場合は、ＡＤ変換部４１より後段の部位がコンソールに集約できるため、計測装置の設置面積や製造コストの低減が期待でき、かつ本実施例の効果は損なわれない。
（レシピ作成の手順）
図９を用いて本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置におけるレシピ作成の手順を示す。パターンの寸法を計測するオペレータは、工程１で計測する試料の基本情報を入力する。例えば試料が半導体ウェーハの場合は、ウェーハの品種、製造工程の名称が前述の基本情報に相当し、これらは複数存在するレシピを分類し管理するために用いられる。次に、工程２で計測に用いる光学条件を選定する。光学条件のパラメータは、試料に入射するプローブ電流、入射エネルギーであり、これらのパラメータは走査像の取得で、「複数回の画像取得で画質が劣化」「計測時の弊害となる明るさムラ等の異常コントラスト」が発生しないよう決められる。この作業は、オペレータが光学条件を任意に選んでも良いし、装置出荷時に製造元が決めた推奨条件をそのまま用いても良い。半導体ウェーハ等のパターンが形成された試料では、試料を動かすステージの座標と試料上に形成されたパターンの座標との位置関係を正確に計測する必要がある。本実施例では、この位置関係を計測する工程をアライメント工程（工程５）とする。工程３では、光学画像上及び走査像上で認識可能な試料上のパターンの画像を、テンプレートとしてコンソール６に登録する。このテンプレートには、光学画像と走査像の２種類を登録することができ、光学画像のテンプレートは第１のアライメント工程、ＳＥＭ画像のテンプレートは第２のアライメント工程に用いられる。通常、精度の低い第１のアライメント工程を経てから高精度な第２のアライメント工程を行う手順となる。登録作業は、例えばコンソールのモニタ上に表示される光学画像と走査像とを、ユーザがストレージ媒体７に記憶させることで実行される。（工程３）ステージの座標と試料上に形成されたパターンの座標との位置関係を正確に補正するためには最低２つの場所でアライメント工程を行う必要がある。工程４では、アライメントを行う場所を登録する。登録は、例えば、モニタに表示される走査像上で適当な位置を、ユーザがコンソールを介して指定することにより実行される。工程５では、テンプレートと上記で登録した場所で撮像した光学画像の比較（第１のアライメント工程）及び走査像の比較（第２のアライメント工程）からステージの座標と試料のパターンの座標の位置関係を計測する。そして、計測した結果をストレージ媒体７に記憶させる。
【００２４】
次に、工程６で計測するパターンの近傍に測定する場所を探すための位置検索用テンプレートを登録し、工程７で計測する箇所のテンプレートをコンソールに登録する。ここでテンプレートとして登録する情報は、工程６では低倍の走査像とステージ座標、工程７では計測する倍率の走査像とステージ座標である。ここで登録時に実行する作業は、アライメント用のテンプレートの登録作業と同じである。工程８では工程７で登録した走査像を基に信号波形を抽出し、計測を実施し、結果をストレージ媒体７に記憶させる。オペレータはウェーハ内に複数の測定位置がある場合は、工程６から工程８を繰り返し、全ての測定位置を登録したらレシピをストレージ媒体７に保存し終了する。レシピを用いた自動計測では、オペレータがコンソール６に前述の試料の基本情報を入力し、自動計測を開始させる。コンソール６は開始の命令と共に、ストレージ媒体７に保存されたレシピの情報を読み出し、それに基づきウェーハ内を自動で計測し、レシピに登録された測定点全てに対して計測が完了したら、計測結果をストレージ媒体７に保存する。
【００２５】
上記は計測装置におけるレシピ作成の手順と自動計測の一例であるが、本実施例を適用するためには、図９に示したレシピ作成の手順で、工程７と工程８に対して前述の信号処理を自動で実施させる設定が必要となる。図１０は本実施例で示した信号処理を自動で実施させるレシピの作成手順を説明したもので、本実施例が関係する図９中の工程７と工程８のみを抜粋して図示している。まず、工程７−１では、計測する位置を含む走査像をテンプレートとして登録し、工程７−２で計測する方法を選択する。この計測する方法とは、ラインアンドスペースの様な繰り返しパターンの場合はパターンのピッチやライン間のスペース、又はラインの幅を示している。この方法は計測する対象により異なり、図１０に示したラインアンドスペースのパターンに対しては、上記の計測方法が用いられるが、コンタクトホールや周期性のない孤立パターンの場合は、コンタクトの径やパターン間の距離を計測する方法が用いられる。レシピを作成するオペレータは、計測対象のパターンに応じて上記の計測方法を選ぶことができる。そして、計測する方法をオペレータが選択すると登録された走査像上に計測箇所を特定するカーソルが表示され、工程７−３でオペレータがカーソルの位置や大きさを調整し、計測する箇所にカーソルを合わせ、計測位置を登録する。図１０中の（ａ）はラインアンドスペースのライン間のスペースを計測する例を示しており、この場合太線で矩形のカーソルが二つ表示され、カーソルを計測するスペースの両端のラインのエッジにそれぞれのカーソルを合わせることで、スペースを計測することができる。次に工程７−３で登録した位置を計測するが、本実施例では走査方向が約１８０度異なる２つの走査像を取得する必要があるため、工程８−１では、オペレータは、工程７−１で登録した走査像と同じ位置で、走査方向が異なる２つの走査像を取得する。そして、工程８−２では取得した２つの走査像に対する位置合わせ処理のパラメータを設定する。ここで、位置合わせ処理のパラメータとは、位置合わせをするアルゴリズムと、走査像内で位置合わせ判定をする有効領域を示しており、オペレータがこれらを自由に設定しても良いが、本実施例の計測装置の製造元が出荷時に設定したパラメータをそのまま用いても良い。図１０中（ｂ）は先に説明した２つの走査像から差画像を形成し、差画像の標準偏差が最小になるよう位置合わせをするアルゴリズムの場合を示している。この時、コンソール６のモニタには差画像が表示され、オペレータは位置合わせをする際の有効領域を示す、矩形のエリア選択カーソルの位置、並びに大きさを任意に調整することで、位置合わせのパラメータ調整することができる。位置合わせ処理の設定後、工程８−３では工程７−３で登録した計測位置に基づき、位置合わせ処理が完了した２つの走査像から信号波形を抽出する（図１０中の（ｃ））。そして、工程８−４では先に図７を用いて説明した手順に従い、オペレータは信号波形の位置合わせのパラメータを設定し、工程８−５で信号波形の再構築を行う。このときコンソール６のモニタ上には再構築した信号波形が表示されており、オペレータは表示されている信号波形を見ながら、この後の続く工程８−６距離を測定する条件の設定、工程８−７距離の測定を行う。工程８−６の距離を測定する条件の設定では、オペレータは信号波形を見ながら、計測するアルゴリズムを選択する。ここでアルゴリズムとは、信号波形から距離を計測するアルゴリズムを示しており、計測装置で一般的に用いられるアルゴリズムで本実施例の効果を発揮することができる。
（ＧＵＩ画面）
図１１は図１０で示したレシピ作成手順をオペレータが操作する際、コンソール６のモニタ上に表示されるＧＵＩ画面の模式図である。ＧＵＩ画面はコンソール６から計測装置全般の動作を指示する総合画面５２と、走査像を表示する画像表示画面５３、検出した信号のレベルを調整するゲイン調整画面５４、本実施例で示した信号波形の処理及び計測アルゴリズムを選択する測長条件調整画面５５で構成される。このＧＵＩ画面は、図９に示したレシピ作成の手順で、工程６の測定位置検索用のテンプレートを登録した後、自動的にコンソール６上のモニタに表示され、オペレータはそのまま測定位置のテンプレート登録（工程７）以降を設定することができる。
【００２６】
ＧＵＩ画面の下部にある総合画面５２には、装置の動作状態を示す機能ボタン５６が複数あり、オペレータは画面上でこのボタンをクリックすることで、ボタンに表示されている機能を動作させることができる。ここでは総合画面５２内に、本実施例を説明する代表的な機能、ウェーハを試料室に搬送するロードボタン、走査像を表示する画像表示ボタン、レシピを作成するレシピ作成ボタン、自動で計測する自動測長ボタン、ＳＥＭ式半導体計測装置の各種メンテナンスに用いるメンテナンスボタン、ＳＥＭ式半導体計測装置の動作を終了させる終了ボタンを示したが、これら以外の機能が表示されていても本実施例の効果は損なわれることはない。なお、図１１は走査像を観察しながら、レシピを作成している状態なので、画像表示とレシピ作成の機能ボタン５６が活性の状態（黒く反転している状態）となっている。
【００２７】
画像表示画面５３は、走査像または光学画像を表示する画面であり、機能ボタン５６として、測長条件調整ボタン、光学調整（光学条件）ボタン、ゲイン調整ボタン、画像条件ボタン、撮像条件ボタンが設けられている。図１１ではゲイン調整画面５４と測長条件調整画面５５が立上っているため、これらの機能ボタン５６は活性の状態になっており、光学調整ボタンは活性の状態でない。光学調整ボタンはＳＥＭ筐体１の光学軸を調整する際に使う機能ボタンで、レシピ作成の段階ではＳＥＭ筐体１の光学軸を調整する必要がないため、活性となっていない。また、画像条件ボタンは試料２１に入射する一次電子線２０のエネルギーとプローブ電流を調整するボタンで、図９中の工程２の段階で既に設定が完了しているため、図１１中では設定されたエネルギー（加速電圧）とプローブ電流が表示されている。撮像条件ボタンは、画面に表示する走査像の走査速度、積算回数を設定するボタンであり、レシピ作成のどの工程でも起動できるが、図１１は既に設定が完了している状態を示している。この場合、走査像の走査速度は走査条件、走査像の積算回数は積算回数として、現在の設定が画面に表示される。なお、画像表示画面５３には、２つのプルダウンボタン５７が設けられており、１つは表示する画像を走査像と光学画像で切り替える画像切り替えボタンと、もう１つは走査像の倍率を任意に選択する倍率選択ボタンである。これらは、レシピ作成に関わらず、画像表示画面５３が起動している限り、どの段階で操作することができる。なお、符号５１はカーソルを示す。
【００２８】
ゲイン調整画面５４は、計測装置の検出系のレベルを調整する画面で、図１１ではレベルの調整として信号波形のオフセットを変えるブライトネスと、信号波形の振幅を変えるコントラストの２つを示した。これらは、スクロールバー５８で調整でき、スクロールバー５８の右にあるウインドウ５９に設定値が表示される。また、ゲイン調整画面５４にはレベルを調整するモードが選択できるプルダウンボタン５７があり、このボタンで自動か手動かを選択することで、自動で計測装置がレベルを調整するか、オペレータが手動でレベルを調整するか選択することができる。
【００２９】
測長条件調整画面５５は、図１０で示した手順をオペレータが行う画面で、測長条件調整画面５５には工程７の測長位置のテンプレートを登録する領域と、工程８の測長を実施する領域がある。テンプレートを登録する領域には、測長方法を選択できるプルダウンボタン５７があり、オペレータはプルダウンボタン５７で測長対象に応じた測長方法を選択することができる。このとき、画像表示画面５３の走査像上には、ここで選択した測長方法に応じたカーソルが表示され、オペレータは画面上でカーソルの位置や大きさを調整することができる。また、テンプレートを登録する領域には、登録または登録されているテンプレートを削除する際に用いるコマンドボタン６０があり、オペレータはコマンドボタン６０をクリックすることで、テンプレートの登録や削除をすることができる。測長条件調整画面５５内の測長を実施する領域には、図１０の工程８の手順でオペレータは測長する条件を調整する。工程８の中で、オペレータは工程８−１から８−５までの手順を、画面内のチェックボタン６１で調整の有無を選択することができる。高アスペクト測長モードのチェックボタン６１は、工程８−１に示した走査方向が異なる画像を取得するか否かを決めるボタンで、このチェックボタン６１を有効にすることで、それ以降のチェックボタン６１の操作が可能になる。画像位置補正のチェックボタン６１は、工程８−２に示した走査像の位置合わせの有無を決めるボタンで、このボタンを有効にしたとき、縮退のウインドウ５９への入力が可能になり、画像表示画面５３の走査像上に先に述べたエリア選択カーソルが表示される。ここで縮退とは位置合わせ処理の際、走査像の外周から何画素分を無視するかを決めるパラメータで、オペレータが自由に調整しても良いし、装置の製造元が決めた初期値をそのまま用いても良い。波形位置補正のチェックボタン６１は、工程８−４に示した信号波形の位置合わせの有無を決めるボタンで、このボタンを有効にしたとき、位置合わせの方式を決めるプルダウンボタン５７が有効になり、オペレータは位置合わせ方法を選択し図７に示した調整をすることができる。平滑化処理のチェックボタン６１は、工程８−５で示した信号波形の再構築の際、図８で示した信号波形の平滑化処理をするか否かを決めるボタンで、このボタンを有効にしたときレベルのウインドウ５９への入力が可能になる。オペレータは、このウインドウ５９に平滑化の度合いを決める数字を入力することで、平滑化の度合いを決めることができる。続いてオペレータが設定する工程８−６は、測長方法の機能ボタン５６をクリックすることで、測長方法を設定する画面を新規に立ち上げることができる。この測長方法を設定する画面は、図１１中では記載していないが、前述の図１０の工程８−６並びに工程８−７の手順に従い、測長方法に関する各種パラメータを設定することができる。上記が、図１０の工程８−１から工程８−７に示した手順をオペレータがＧＵＩ上で行う操作であり、これらの操作を行う上で、信号波形の取得や再構築、寸法の測長や、設定した条件の保存といった動作が必要になる。これらは測長条件調整画面５５の下部にあるコマンドボタン６０をクリックすることで動作させることができ、動作に応じて画面内に表示される信号波形は随時更新される。なお、これまでは高アスペクト測長モードを有効にした場合の調整手順、並びにＧＵＩでの操作を説明したが、高アスペクト測長モードを無効にした場合は、オペレータは工程８−１から８−５を行わず、工程８−６に進み、従来の計測装置同様に測長条件を設定することができる。
【００３０】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。これにより、従来は困難であったエッチング後の高アスペクト構造の計測が可能になり、半導体装置の製造工程で要求される、様々な寸法計測に対応できるようになる。
【００３１】
以上説明したように、本実施例によれば、立上り応答（底部から上部方向へ荷電粒子を走査して得られる検出信号）を用いて底部の両端部位置を求めることにより、高アスペクト構造であっても、パターン底部の寸法を高精度に計測できる荷電粒子線装置及び計測方法を提供することができる。
【実施例２】
【００３２】
第２の実施例について説明する。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。
実施例１では、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明した。半導体装置の製造工場では、１つのラインに複数のＳＥＭ式半導体計測装置を設置する場合が多く、複数の計測装置で同じレシピを用いた自動計測が行われる。このようにＳＥＭ式半導体計測装置を用いる場合、計測装置間の個体差（機差）が問題となり、機差の校正が不可欠となる。本実施例２では、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置における機差の校正について説明する。先の実施例１でも説明したように、高アスペクト構造の底の寸法計測には、信号電子の検出系に４桁（１４ｂｉｔ）以上のダイナミックレンジと精度が要求される。本実施例では、ＳＥＭ式半導体計測装置に検出系の個体差を校正するため、検出した信号電子の強度を信号電流に換算する機能を備えていることを特徴とする。ここで、信号電流とは試料２１から放出される信号電子２２の量を定量化できる物理量であり、本実施例では既知のプローブ電流で観測される試料の明度を信号電流の一例として示した。同じプローブ電流であっても、信号電流は試料によって異なるが、同一の試料に対し、プローブ電流を変えて取得した、プローブ電流と明度の特性データは、測定した検出系の特性を示すため、検出系の固体差を含んだ信号電子の強度を信号電子２２の量に換算することができる。
（信号波形の校正処理）
図１２は、本実施例における検出系の校正方法の概要を示しており、図１中で校正処理に関係する、信号処理部４とコンソール６並びにストレージ媒体７を抜粋してある。検出した信号電子の強度を信号電流に換算するためには、検出系の特性を測定した特性データ６３の集合体であるデータシート６２が必要であり、このデータシート６２はストレージ媒体７に記憶されている。コンソール６は、図１中のレベル調整回路３９に指示した調整値に相当する特性データ６３をデータシート６２から読み出し、特性データ６３を用いて信号処理部４から送られる信号波形の強度を信号電流に換算する。そして、コンソール６は、信号電流に換算した信号波形と、その波形から計測した結果をストレージ媒体７に記憶させる。ここで、特性データ６３の集合体であるデータシート６２は、計測装置の出荷時、あるいは装置の定期的なメンテナンスの際、計測装置の製造元あるいはオペレータが作成するものであり、必要に応じて特性データ６３、並びにデータシート６２を更新することができる。以上に示した方法でＡＤ変換部４１より前段の検出系の個体差を校正することができる。なお、上述の特性データ６３、並びにデータシート６２を作成する手順は、後の（データシートの作成手順）で説明する。
（プローブ電流計測装置）
プローブ電流と明度の特性データを正確に取得するためには、ＳＥＭ式半導体計測装置に一次電子線のプローブ電流を計測する機能が必要になる。図１３はプローブ電流を計測する装置の構成を示しており、図１中のＳＥＭ筐体１の一部と、プローブ電流計測装置３３、コンソール６を示している。ＳＥＭ筐体１に含まれるプローブ電流計測部１４は、一次電子線２０を偏向するブランキング装置６４と、プローブ電流を検知するファラデーカップ６５、そしてファラデーカップ６５とＳＥＭ筐体１を電気的に絶縁する絶縁体２５で構成されている。また、プローブ電流計測装置３３は、一次電子線２０を偏向させる定電圧回路６６と、ファラデーカップ６５が検知したプローブ電流を電圧信号に変換、且つ増幅させる増幅器３８、並びに増幅された電圧信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部４１で構成されている。ここで、ブランキング装置６４と定電圧回路６６、並びにファラデーカップ６５と増幅器３８は、図中には示していないＳＥＭ筐体１の真空を維持するフィードスルー端子で電気的に接続されている。そのため、コンソール６からの制御信号に基づき、定電圧回路６６はブランキング装置６４に定電圧を印加し、ファラデーカップ６５でプローブ電流が検知できる構成になっている。なお、ファラデーカップ６５には、一次電子線２０が通過する穴が設けられており、ブランキング装置６４で一次電子線２０が偏向されたとき、初めてファラデーカップ６５に一次電子線２０が捕捉され、プローブ電流が検知できる仕組みになっている。
（データシートの作成手順）
検出系のデータシート６２を作成するには、検出系のレベル調整回路３９の回路定数を固定し、既知のプローブ電流で試料の明度を計測し、プローブ電流（信号電流）と画像明度の関係を求める必要がある。図１４は、データシート６２を作成する手順を示しており、手順は大きく２つの工程に分かれている。１つは、一次電子線２０を試料２１に照射せず、レベル調整回路３９の回路定数を段階的に変えながら、画像の明度を測定する暗レベルの測定と、もう１つは、プローブ電流とレベル調整回路３９の回路定数を各々段階的に変えながら、信号電流と画像明度の関係を求める検出系特性の測定である。以下、手順に沿って各工程を説明する。まず、暗レベルの測定は、第１の工程で一次電子線２０が試料２１に照射されないようプローブ電流がゼロになる設定をする（ビームオフ）。この設定は、電子源１１から電子が放出されないよう、コンソール６から電子銃電源３１を制御しても良いし、ＳＥＭ筐体１の中にバルブがある場合は、そのバルブを閉めるだけでも良い。次の第２の工程で検出系の回路定数を設定し、第３の工程で走査像の明度を計測する。検出系の回路定数を段階的に変えながら、第２−第４の工程を繰り返すことで、暗レベルを測定することができる。
【００３３】
続いて、検出系特性の測定は、第５の工程で１次電子線２０を試料２１に照射させる（ビームオン）。この設定は、電子源１１から電子が放出されるよう、コンソール６から電子銃電源３１を制御しても良いし、ＳＥＭ筐体１の中にバルブがある場合は、閉めていたバルブを開けるだけでも良い。次の第６の工程では、一電子線のプローブ電流を設定するが、プローブ電流を変える手段として、コンソール６から電子銃電源３１を制御し、電子源１１の動作条件（電子を放出させる引き出し電圧等）を調整しても良いし、絞り１３の上に配置されている第１コンデンサレンズ１２で１次電子線２０の軌道を調整しても良い。プローブ電流を変える手段はいずれでも良いが、本実施例の効果を発揮するためには、プローブ電流の範囲を４桁以上にする必要がある。なぜなら、本実施例が実現する高アスペクト構造の底の計測では、検出系に４桁のダイナミックレンジが必要とされるためである。そして第６の工程でプローブ電流を設定したら、次の第７の工程で検出系の回路定数を設定し、第８の工程で走査像の明度を計測する。この第６−第８の工程を繰り返すことで、検出系の特性を測定することができる。ここで注意すべきは、暗レベルの場合と異なり検出系特性の場合は、試料に電子線を照射するため、試料の同じ場所で測定を重ねると試料の汚染やそれに伴う帯電の影響で、走査像の明度が変わってしまう。従って、第９の工程で次の測定があると判断したら、試料を移動させ常に新しい場所で走査像の明度を測定できるよう工夫する必要がある。以上に示した手順で検出系の回路定数ごとに、暗レベルと検出系特性を測定することで、データシート６２を作成することができる。
（ＧＵＩ画面）
次に、図１４に示した手順でデータシート６２を作成する際、コンソール６のモニタに表示されるＧＵＩ画面を説明する。図１５は、検出系の特性を測定する際、コンソール６のモニタ上に表示されるＧＵＩ画面の模式図で、ＧＵＩ画面はコンソール６から計測装置全般の動作を指示する総合画面５２と、メンテナンスする項目を選択するメンテナンス画面６７、検出系の特性を自動で測定する検出特性測定画面６８で構成される。
【００３４】
ＧＵＩ画面の下部にある総合画面５２には、装置の動作状態を示す機能ボタン５６が複数あり、オペレータは画面上でこのボタンをクリックすることで、ボタンに表示されている機能を動作させることができる。ここでは総合画面５２内に、本実施例を説明する代表的な機能、ウェーハを試料室に搬送するロードボタン、走査像を表示する画像表示ボタン、レシピを作成するレシピ作成ボタン、自動で計測する自動測長ボタン、ＳＥＭ式半導体計測装置の各種メンテナンスに用いるメンテナンスボタン、ＳＥＭ式半導体計測装置の動作を終了させる終了ボタンを示したが、これら以外の機能が表示されていても本実施例の効果は損なわれることはない。なお、図１５は計測装置のメンテナンスをしている状態なので、メンテナンスの機能ボタン５６が活性の状態（黒く反転している状態）となっている。
【００３５】
メンテナンス画面６７には、メンテナンスの項目ごとに機能ボタン５６があり、機能ボタン５６の横にメンテナンスが行われた最新の日時が表示される構成になっている。各メンテナンスの項目ごとに校正が行われた最新の日時を表示することで、オペレータはＳＥＭ式半導体計測装置が定期的にメンテナンスされているか確認することができる。なお、図１５では検出系の特性を校正している状態なので、検出系特性の機能ボタン５６活性の状態（黒く反転している状態）となっている。
【００３６】
検出特性測定画面６８は、画像を表示する領域と測定する条件を設定する領域に分かれており、画像を表示する領域は、前述の図１１と同じ構成になっており、オペレータは光学画像、並びに走査像を任意に切り替え、モニタ上の画像を確認しながら、試料上で測定する箇所を探索することができる。測定する条件を設定する領域には、暗レベルと検出系特性、それぞれの項目についてチェックボタン６１があり、オペレータはチェックを付けるか否かで測定する項目を選択することができる。この測定する項目を選択できる機能を備えることで、不必要な測定を減らし、メンテナンスに要する時間を減らすことができる。また、測定の際にパラメータとなるプローブ電流と、検出系の回路定数（ブライトネスとコントラスト）については、測定するレンジと測定の間隔を数字で入力できるようになっており、オペレータは各々のウインドウに所望の数字を入力することで、測定のレンジと間隔を任意に調整し設定することができる。そして、測定結果の消去や、測定の開始、並びに測定結果の登録等、測定の際必要となる一連の動作は、各動作のコマンドボタン６０をオペレータが指示することで計測装置に実行させることができる。
【００３７】
本実施例のように、ＳＥＭ式半導体計測装置に検出系の特性を校正する機能を備えることで、計測装置間の個体差（機差）を低減させることができ、かつ高アスペクト構造の底を計測する際、必要となる４桁のダイナミックレンジを高精度に実現することができる。
【００３８】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、実施例１と同様の効果が得られる。また、検出した信号荷電粒子の強度を信号電流に換算する機能を備えることにより、複数の荷電粒子線装置の検出系の個体差を校正することができる。
【実施例３】
【００３９】
第３の実施例について、図１６と図１７を用いて説明する。なお、実施例１又は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。
実施例１では、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明し、計測に用いる信号波形とコンソール６のモニタに表示する走査像を独立のデータにすることで、必要最小限のデータサイズで高精度な計測を実現することができることを示した。本実施例３では、この利点を積極的に活用できるＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明する。本実施例ではＳＥＭ式半導体計測装置の概略構成は図１と同じだが、信号処理部の構成が大きく異なる。以下、本実施例の特徴である信号処理部４について詳細に説明する。
（信号処理部）
図１６は信号処理部４の概略構成図であり、信号処理部４は、切り替え回路Ａ ４２、メモリＡ ４３、メモリＢ ４４、メモリＣ ６９、画像処理回路４６、比較演算回路４７、信号処理回路４８で構成される。信号処理部４は、レベル調整回路３９及びＡＤ変換部４１を介して検出器２３に、またコンソール６に電気的な配線で接続され、コンソール６からの制御信号に基づき、検出器２３からの信号を処理し、コンソール６へ出力する。コンソール６からの制御は、レベル調整回路３９で検出器２３から送られる信号の増幅、オフセットを調整し、ＡＤ変換部４１で、走査信号に同期させデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号を、切り替え回路Ａ ４２を介し、信号波形はメモリＡ ４３またはメモリＢ ４４に、走査像はメモリＣ ６９にそれぞれ格納する。この後に続く信号波形を処理する比較演算回路４７並びに信号処理回路４８、そして走査像を処理する画像処理回路４６の動作は、図５と同じである。
【００４０】
ここで、図１６と図５に示した信号処理部４の概略構成図の違いは、信号波形及び走査像を一時的に記憶するメモリを、信号波形用のメモリ（メモリＡ ４３、メモリＢ ４４）と走査像用のメモリ（メモリＣ ６９）に分割したことである。
【００４１】
これまで、本実施例では高アスペクト構造の底を計測するために、信号波形に０．０１％の精度が必要であることを示してきた。この精度を実現するためには、検出系の精度を上げる工夫だけでなく、検出する信号電子自体にもそれだけの精度が要求される。この信号電子の精度がショットノイズに支配される場合、従来の精度である数％を０．０１％まで向上させるためには、信号波形を約１００００倍多く積算する必要がある。実施例１の構成ではメモリに格納された走査像の中から所望の領域を選択し、その領域の明度から信号波形を形成するため、走査像自体の積算回数を約１００００倍多くする必要があり、走査像の取得に多くの時間を要する。しかし、本実施例では信号波形と走査像のメモリが独立しているため、走査像自体の積算回数を必要以上に増やす必要がなく、必要最小限の時間で計測することができる。例えば、走査像の精度が８ｂｉｔで良いなら、走査像の積算回数は従来と同様の数回から多くても２５６回で良く、信号波形は走査像の中で計測したい領域だけを選択的に走査し、走査像の約１００００倍多く積算すれば良い。
（レシピ作成の手順）
図１７は本実施例で示した信号処理を自動で実施させるレシピの作成手順を説明したもので、実施例１で示した図９中の工程７と工程８のみを抜粋して示している。工程７では、計測する位置をテンプレートとして登録するが、実施例１と異なり走査像は信号処理部４内の専用のメモリＣ ６９に格納される。それ以外は、工程７−１から工程７−３まで図１０の説明と同じ手順でレシピを作成する。次に、工程８ではテンプレートとして登録したパターンを計測するが、工程８−１の信号波形の取得条件の設定だけが図１０と異なり、それ以降は図１０の説明と同じ手順でレシピを作成する。オペレータは、工程８−１で計測する位置に相当するカーソルの範囲を走査方向に対し直行する方向（走査の送り方向）に走査線を何本配置するか決め、その後走査線の積算回数を決める。図１７の（ｂ）は、信号波形の取得条件を説明した図であり、図ではカーソルの範囲にＮ本の走査線を配置している。ここで走査線の積算回数をＭとしたとき、走査線の本数Ｎと積算回数Ｍの積が、走査像の積算回数と比較し約１００００倍になるよう信号波形の取得条件を設定する。その後、オペレータは工程８−１で決めた信号波形の取得条件に従い、工程８−２で走査方向が異なる２つの信号波形をメモリＡ ４３、メモリＢ ４４にそれぞれ格納することで信号波形を取得することができる。
【００４２】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、上記実施例と同様の効果が得られる。また、信号波形用のメモリと走査像用のメモリとを分割することにより、走査像自体の積算回数を必要以上に増やす必要がなく、必要最小限の時間で計測することができる。
【実施例４】
【００４３】
第４の実施例について説明する。なお、実施例１乃至３のいずれかに記載され、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。
実施例１から実施例３で、高アスペクト構造の底の寸法計測に適したＳＥＭ式半導体計測装置の例を示してきたが、これまではＳＥＭ筐体１に設けられた１つの検出器２３で信号電子を検出し走査像と信号波形を形成していた。しかし、１つの検出系で４桁のダイナミックレンジを保障するには、検出した信号のレベルを調整するレベル調整回路３９に５桁以上のダイナミックレンジが必要になり、実現が困難な場合がある。本実施例４では、この課題を改善するＳＥＭ式半導体計測装置の１構成例について説明する。本実施例では検出器からデータを格納するメモリまでの部位を複数設け、信号電子２２の量に応じて検出系を使い分ける構成とした。この構成を用いることで、１つの検出系に要求されるダイナミックレンジを狭めることができ、レベル調整回路３９の設計が容易になる。以下、本実施例について図を用いて詳細に説明する。
【００４４】
図１８は、本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置の構成を示したものである。図１と同様に計測装置は、大きく分けて、ＳＥＭ筐体１、試料室２、筐体制御部３、信号処理部４、ステージ制御部５、ウェーハ搬送部８、真空排気部９で構成され、これら全てをコンソール６で制御できるよう構成されている。また、コンソール６はレシピや計測結果、取得した走査像を記憶できる大容量のストレージ媒体７を持ち、このストレージ媒体７に記録されたデータを元に、装置の動作や、データの管理を行う。本実施例は、検出系を複数系統設けていることが、今までの実施例と異なり、図１８では検出系が２系統ある場合を代表例として示した。以下、本実施例で示す各部位の中で、図１と異なる検出系の構成とその部位が果たす機能について抜粋して説明する。
（ＳＥＭ筐体）
ＳＥＭ筐体１では、試料２１で発生した信号電子２２を、２つの検出器（検出器Ａ ７０と検出器Ｂ ７１）で捕捉することが実施例１と異なり、図１８では検出器Ａ ７０と検出器Ｂ ７１で信号電子２２を同時に捕捉する構成を示している。検出器を複数用いる場合、図１８のように信号電子２２を複数の検出器で同時に補足しても良いが、信号電子２２の軌道を変え、各検出器で個別に信号電子２２を捕捉しても良い。
【００４５】
図１９は、図１８とは異なる形態で本実施例を実現する構成で、個別に信号電子２２を捕捉する場合の計測装置の概略構成を示している。図１９は、信号電子２２の捕捉に関わるＳＥＭ筐体１の一部と２つの検出系、そして筐体制御部３の筐体制御電源３２を示している。ＳＥＭ筐体１には、変換板１６と検出器Ａ ７０、検出器Ｂ ７１の他に、信号電子２２の軌道を各検出器の方向へ偏向するＥｘＢ偏向器７２が設けられている。ＥｘＢ偏向器７２は、電子源１１から試料２１の方向へ進行する一次電子線２０の軌道を変えず、それと逆方向に進行する信号電子２２の軌道を偏向するよう静電偏向器７５と電磁偏向器７６の偏向場がそれぞれ調整されている。２つの検出系は、実施例１と同様にレベル調整回路３９、３９’ＡＤ変換部４１、４１’並びに信号処理部４で構成されている。筐体制御部３の筐体制御電源３２は図１９の説明で必要なＥｘＢ偏向器７２を動作させる定電流回路７３と定電圧回路６６、並びに定電圧回路６６からの出力を切り替えるリレー回路７４で構成されている。図１９は、検出器Ａ ７０と検出器Ｂ ７１を対向するように配置した例で、ＥｘＢ偏向器７２は、どちらか一方の検出器で信号電子２２が捕捉されるよう、信号電子２２の偏向方向を反転させる。これは、正負両極性を出力する定電圧回路６６の出力をリレー回路７４で反転させ、かつ定電流回路７３の出力の極性を反転させることで実現できる。このように、複数の検出器で個別に信号電子２２を捕捉する場合においても、ＥｘＢ偏向器７２を用いることで、効率的に信号電子２２を検出器に導くことができる。
（信号処理部）
図２０は本実施例における図１８、並びに図１９の信号処理部４の概略構成図であり、検出器が２つあるため、それより後段のレベル調整回路からメモリまでが２系統あり、かつ各々の検出器の信号を合成する合成部７７が新規に設けられている。信号処理部４は２つの検出器７０、７１とコンソール６に電気的な配線で接続され、コンソール６からの制御信号に基づき、検出器からの信号を処理し、コンソール６へ出力する。コンソール６からの制御は、レベル調整回路３９、３９’で検出器から送られる信号の増幅、オフセットを調整し、ＡＤ変換部４１、４１’で、走査信号に同期させデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号は切り替え回路４２、４５を介し、各々のメモリ４３、４４、６９、８０に走査像として格納される。この検出器からメモリまでの信号処理は図５と同じだが、信号電子２２の量に応じて、各々の系統でレベル調整回路３９、３９’の増幅、オフセット調整を変えている。そのため、メモリに格納される走査像の明度は、各々の系統で異なり、新規に設けた合成部７７は、各メモリに格納されている走査像、並びに走査像から抽出された信号波形を合成する役割を果たす。
【００４６】
図２１は合成部７７における信号処理で、各メモリ４３、４４、６９、８０に格納されている走査像から信号波形を抽出し、抽出した信号波形を合成する手順を模式的に示している。各々の系統のメモリには、走査方向が約１８０度違うため、左右が反転した走査像が格納されている。まず、合成部７７ではどちらかの画像を左右反転させ、走査像どうしで位置合わせ処理を行う。ここで位置あわせの処理は、図６で説明した位置合わせと同じでよく、図２１ではこの処理に相当する図を省略している。次に、位置合わせの情報を基に、それぞれの走査像に対して波形を抽出するカーソルを合わせ、信号波形を抽出する。このカーソルの設定については、実施例１の（レシピ作成）で既に説明しており、図２１には抽出した信号波形を示している。ここで抽出した信号波形は、各々の系統で走査像の明度が異なるため、信号波形の強度と形が異なる。
【００４７】
図２１の中央は、１つの系統で、高アスペクト構造の上部の信号に精度をもたせ、もう１つの系統で高アスペクト構造の底の信号に精度をもたせる調整をした例を示している。この場合、前者の信号波形では高アスペクト構造の底に相当する領域の階調が０になり、後者の信号波形では高アスペクト構造の上部に相当する領域の階調が最大となる。これらの領域は、信号波形の振幅が検出系のダイナミックレンジを超えるため、階調が０又は最大に固定されており、信号の強度に意味がない。従って、これら２つの信号波形から階調が０又は最大の領域を切り捨てて、信号波形を合成する必要がある。
【００４８】
図２１の右側は、合成した信号波形を示しており、それぞれの系統から走査方向が同じ信号波形を選択し合成している。ここで、合成する処理では、信号波形が連続的に繋がるよう、信号強度のレベル補正と位置合わせが必要である。信号強度のレベル補正は、まず、２つの階調（Ｓ１とＳ２）を決め、高アスペクト構造の上部の階調がＳ２、底の階調がＳ１になるよう、それぞれの信号波形の強度にオフセットを与える。このとき、それぞれの信号波形で０又は最大の階調の領域を、Ｓ１並びにＳ２に合わせても意味がないので、高アスペクト構造の上部の信号に精度をもたせた信号波形はＳ２に、高アスペクト構造の底の信号に精度をもたせた信号波形はＳ１に合わせるようオフセットを調整する。次に２つの信号波形が連続的に繋がるよう位置を合わせるが、この処理は図７で示した方法でも良いし、図２１に示した信号波形の立上りで合わせても良い。最後に、２つの信号波形の立上り部が連続的に繋がるよう、それぞれの信号波形の階調を伸縮させ、１つの信号波形に合成させる。この合成は２つの信号波形から領域ごとに適切な信号を抽出する処理であり、２つの信号波形の交点を境界に交互に信号を抽出し、抽出した２つの信号波形のうち、波形の振幅が大きい方を正しい結果とする。上記の手順で、２つの系統で取得した強度並びに形が異なる２つの信号波形を、１つの信号波形に合成することができる。また、走査像を合成する場合は、まず上記の手順で信号波形を合成し、その際用いたレベル補正値と位置補正値を各々の走査像に適用することで、２つの走査像を１つの走査像に合成することができる。
【００４９】
なお、本実施例ではＡＤ変換部４１より後段の切り替え回路から、画像処理回路４６並びに信号処理回路４８までをコンソール６から独立した部位として記載したが、これらの機能はコンソール６に含まれる計算機でも行うことができる。コンソール６に含まれる計算機で上記処理を行う場合は、ＡＤ変換部４１より後段の部位がコンソールに集約できるため、計測装置の設置面積や製造コストの低減が期待でき、かつ本実施例の効果は損なわれない。
（ＧＵＩ画面）
図２２は、レシピ作成でオペレータが信号波形を合成する際、コンソール６のモニタに表示されるＧＵＩ画面の模式図である。ＧＵＩ画面はコンソール６から計測装置全般の動作を指示する総合画面５２と、走査像を表示する画像表示画面５３、検出した信号のレベルを調整するゲイン調整画面５４、本実施例で示した合成処理のパラメータを調整する合成処理調整画面７８で構成される。このＧＵＩ画面は、図９に示したレシピ作成の手順で、工程７の測定位置のテンプレートを登録した後に、自動的にコンソール６上のモニタに表示される。
【００５０】
本実施例では検出系が２系統あるため、ゲイン調整画面５４にはレベルを調整できるブライトネスとコントラストがそれぞれの検出系について設けられている。またゲイン調整画面５４には、画像表示画面５３に表示する走査像を選択できるプルダウンボタン５７が新規に設けられており、オペレータはこのボタンを操作することで、検出器を選択することができる。
【００５１】
合成処理調整画面７８は、オペレータが図２１の手順でパラメータを調整する画面で、信号波形を合成する領域と、走査像を合成する領域に分かれている。信号波形を合成する領域には、各々の検出系で得られる信号波形と、合成した信号波形が表示されており、プルダウンボタン５７で合成した後の信号波形のｂｉｔ数と位置合わせの方式をオペレータが選択できる構成になっている。また、合成する際に決める２つの階調（Ｓ１とＳ２）は、信号波形上に表示されたレベルカーソルを、オペレータが手動で調整し決めることができる。走査像を合成する領域は、信号波形の場合と同様にプルダウンボタン５７で合成した後の走査像のｂｉｔ数と位置合わせの方式をオペレータが選択できる構成になっている。図２１の手順を進めるうえで必要になる、信号波形の抽出や信号波形の合成、並びに調整結果の保存は、合成処理調整画面７８の下部に配置されたコマンドボタン６０をオペレータがクリックすることで実施させることができる。なお、これまで説明してきた手順をオペレータが全て手動で行うと、合成するパラメータの調整に試行錯誤が必要となる。従って、オペレータがｂｉｔ数、位置合わせの方式、並びに合成する際に決める２つの階調（Ｓ１とＳ２）だけ決めたら、合成のコマンドボタン６０をクリックするだけで、コンソール６は、自動的に各検出系のレベルを調整し、信号波形は連続的に、走査像は自然なコントラストに最適化できる機能を備えているのが好ましい。
【００５２】
以上がＳＥＭ式半導体計測装置で、試料から放出される信号電子の量に応じて、複数ある検出器を使い分ける例であり、本実施例を用いることで、１つの検出系に要求されるダイナミックレンジを狭めることができ、レベル調整回路３９の設計が容易になる。また、合成した信号波形を用いて計測する手段は、実施例１で示した信号波形の再構築がそのまま活用できるので、本実施例の構成でも高アスペクト構造の底を計測することができる。なお、本実施例では複数の検出系を用いるため、検出系の個体差の影響は否めない。しかし、本実施例に実施例２で示した検出系の特性を校正する手法を併用することで、信号波形並びに走査像を高精度に合成することが可能になる。
【００５３】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、上記実施例と同様の効果が得られる。また、複数の検出器を備え、試料から放出される信号電子の量に応じて、複数ある検出器を使い分けることにより、１つの検出系に要求されるダイナミックレンジを狭めることができる。
【実施例５】
【００５４】
第５の実施例について説明する。なお、実施例１乃至４のいずれかに記載され、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。
実施例４では、ＳＥＭ式半導体計測装置で、試料から放出される信号電子の量に応じて、複数ある検出器を使い分ける例を示したが、レベル調整回路３９のダイナミックレンジが多段階に設定できる場合、１つの検出器でも実施例４と同様の機能を実現することができる。本実施例では多段階にダイナミックレンジを設定できるレベル調整回路３９を備えたＳＥＭ式半導体計測装置の構成について説明する。この場合、実施例４と比較し、検出系の系統数が少なくなるため、計測装置の製造原価が低減し、今まで説明した機能を安価に実現することができる。以下、本実施例について図を用いて詳細に説明する。
（信号処理部）
図２３は本実施例における信号処理部４の概略構成図であり、多段階にダイナミックレンジを設定できるレベル調整回路３９を備えているため、その段数に応じた複数のメモリ４３、４４、６９・・・９０を備えている。信号処理部４は、レベル調整回路３９とＡＤ変換部４１を介して検出器２３に、またコンソール６に電気的な配線で接続され、コンソール６からの制御信号に基づき、検出器２３からの信号を処理し、コンソール６へ出力する。コンソール６からの制御は、レベル調整回路３９で検出器２３から送られる信号の増幅、オフセットを調整し、ＡＤ変換部４１で、走査信号に同期させデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号は切り替え回路Ａ ４２を介し、各々のメモリに走査像として格納される。この検出器からメモリまでの信号処理は図５と同じだが、コンソール６からの制御信号に基づき、レベル調整回路３９の増幅率、オフセットが多段階に設定され、その設定ごとに異なるメモリ４３、４４、６９・・・９０に走査像が格納されることが図５と異なる。各々のメモリには、左右が反転した一対の走査像が、レベル調整回路３９の設定ごとに格納されており、これらを用いて合成部７７は１つの信号波形並びに走査像を合成する。ここで、合成部７７は各メモリの走査像から信号波形を抽出し、連続的になるよう信号波形を合成するが、本実施例では実施例４ほど難しい処理は必要ない。なぜなら、本実施例は多段階のダイナミックレンジをレベル調整回路３９の設定だけで実現しているので、実施例２で示した手法を適用するだけで、連続的な信号波形を合成できる。ここでは、信号波形の合成について取り上げたが、走査像についてもほぼ同様の手順で合成することができる。合成した走査像は表示の目的で使われ、計測には用いないため、合成部７７は合成した走査像が自然なコントラストになるよう、各メモリに格納されている走査像の階調を伸縮させるだけでよい。
【００５５】
以上が多段階にダイナミックレンジを設定できるレベル調整回路を備えたＳＥＭ式半導体計測装置の例であり、実施例４で説明した機能を安価に実現することができる。また、合成した信号波形を用いて計測する手段は、実施例１で示した信号波形の再構築がそのまま活用できるので、本実施例の構成でも高アスペクト構造の底を計測することができる。
【００５６】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてＮＡＮＤゲート底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、上記実施例と同様の効果が得られる。また、多段階にダイナミックレンジを設定できるレベル調整回路を備えることにより、検出系の系統数が少なくなるため、計測装置の製造原価が低減することができる。
【実施例６】
【００５７】
第６の実施例について説明する。なお、実施例１乃至５のいずれかに記載され、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。
これまでは、高アスペクト構造としてラインアンドスペースのパターンを例に、走査方向が約１８０度異なる２枚の走査像に着目した信号処理を取り上げてきた。この信号処理で実施例の効果が説明できたのは、ラインアンドスペースではパターンのエッジが一方向にしかないためであり、エッジが全方位にあるコンタクトホールに対しては、今までの実施例では不十分である。本実施例では、エッジが全方位にあるコンタクトホールについて、高アスペクト構造の底の計測精度を改善するＳＥＭ式半導体計測装置を説明する。ＳＥＭ式半導体計測装置の構成は、これまでの実施例と同じだが、信号波形、並びに走査像を再構築する処理が今までと異なる。以下に、本実施例の特徴である信号波形、並びに走査像を再構築する処理について説明する。
【００５８】
図２４は、本実施例における信号波形、並びに走査像を再構築する処理を示しており、図の左から一次電子線の走査、信号電子の取り込み、エッジの抽出、走査像の再構築を示している。図２４の中で信号波形のエッジの抽出と再構築については、図２５、並びに図２６を用いて詳細に説明する。まず、コンタクトホールでは全方位にエッジが存在するため、一次電子線も全方位（３６０度）に走査する必要がある。図２４の左は、方位角０、４５、９０度に走査方向を変えた例を示しており、どの走査方向でも視野の全域が隈なく走査されるよう、走査する領域は視野の１．４倍以上にする必要がある。そして、試料から放出された信号電子は、走査方向に依存した座標系で取り込まれるため、各々の走査像では、視野内の各点を異なる座標でサンプリングすることになる。図２４の例では、走査方向が０度の場合は視野の左下を（３，４）の画素、４５度の場合は（１，１０）、９０度の場合は（３，１６）でサンプリングすることになる。本実施例では、全方位に対して走査像を取得しているが、コンタクトホールのエッジを検出系の立上り応答で捉えられるのは、エッジの接線に対し法線方向で、且つ接点を通過する走査線だけである。従って、視野の中央に１つのコンタクトホールがある図２４では、エッジを検出系の立上り応答で捉えている走査線は、各々の走査像の中で１〜数本程度となる。走査像からこのエッジを抽出するには、走査方向に微分した画像の中から明るい座標を抽出し、走査像からその座標に相当する階調のみ有効なデータとして抽出する。全ての走査方向について、有効なデータを抽出したら、それら全てを加算平均することで、検出系の立上り応答でエッジを捉えた走査像を再構築できる。
【００５９】
次に図２５で、走査像の中からこの走査線を抽出し信号波形を形成する手法について説明する。図２５の左は、走査線の送り方向に走査像を分割した際得られる信号波形を示しており、コンタクトホールの場合、エッジの間隔は走査線の送り方向に進むにつれ広がり、極大値を経てから縮小する。ここで、エッジの接線に対し法線方向で、且つ接点を通過する走査線は、エッジの間隔が極大となる走査線であり、各々の走査像に対しエッジの間隔が極大になる走査線を抽出することで、エッジを検出系の立上り応答で捉えた信号波形を抽出することができる。なお、このようにエッジ間の距離の極大値から走査線を抽出しても良いが、コンタクトホールの形状が扁平している場合は、走査線ごと順番にエッジ間の距離を計測し、エッジ間の距離の変化が最小になる走査線を抽出しても良い。この段階では各々の信号波形に、検出系の立下り応答の信号も含まれているため、これまでと同様に信号波形から検出系の立上り応答の領域を抽出する必要がある。実施例１と同様の手法を用いても良いが、図２６では信号の微分波形を活用し、検出系の立上り応答の領域を抽出する。図２６の中央は、信号波形とその微分波形を示しており、微分波形では検出系の立上り応答の領域に正のピークが見られる。この微分波形が正のピークになる領域の信号を信号波形から抽出することで、検出系の立上り応答の領域を抽出することができる。そして、図２６の右は、信号波形の再構築を示しており、その手順は全ての方向の信号波形から方向が約１８０度異なる一対の信号波形を選び出し、エッジ間の中央が重なるよう位置を合わせ、一対の信号波形を足し合わせる。次に全ての方向の信号波形に対してこの処理を行い、最後にエッジ間の中央を基準に全ての信号波形を加算平均する。これにより、検出系の立上り応答だけを用いたコンタクトホールの信号波形を再構築することができる。
【００６０】
以上が、コンタクトホールに対して高アスペクト構造の底の計測精度を改善するＳＥＭ式半導体計測装置の信号処理である。本実施例ではコンタクトホールに対象を絞って説明したが、エッジが複数の方位に存在する複雑なパターンに対しても上記と同様の処理で高アスペクト構造の底を計測することができる。
【００６１】
本実施例に係るＳＥＭ式半導体計測装置を用いてコンタクトホール底部のパターン寸法を計測したところ、良好な結果が得られた。
本実施例によれば、上記実施例と同様の効果が得られる。また、荷電粒子線を試料に対し複数方位に走査することにより、エッジが複数の方位に存在する複雑なパターンに対しても高精度に計測が可能となる。
【００６２】
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分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全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換えることも可能であり、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。
【符号の説明】
【００６３】
１…ＳＥＭ筐体、２…試料室、３…筐体制御部、４…信号処理部、５…ステージ制御部、６…コンソール、７…ストレージ媒体、８…ウェーハ搬送部、９…真空排気部、１０…試料準備室、１１…電子源、１２…第１コンデンサレンズ、１３…絞り、１４…プローブ電流計測部、１５…第２コンデンサレンズ、１６…変換板、１７…偏向器、１８…対物レンズ、１９…高さセンサ、２０…一次電子線、２１…試料、２２…信号電子、２３…検出器、２４…ステージ、２５…絶縁体、２６…試料フォルダ、２７…ミラー、２８…リターディング電源、２９…レーザ計測装置、３０…ステージ駆動装置、３１…電子銃電源、３２…筐体制御電源、３３…プローブ電流計測装置、３４…ビーム制御回路、３５…搬送制御部、３６…搬送ロボット、３７…バルブ、３８…増幅器、３９，３９’…レベル調整回路、４１，４１’…ＡＤ変換部、４２…切り替え回路Ａ、４３…メモリＡ、４４…メモリＢ、４５…切り替え回路Ｂ、４６…画像処理回路、４７…比較演算回路、４８…信号処理回路、４９…不連続点、５１…カーソル、５２…総合画面、５３…画像表示画面、５４…ゲイン調整画面、５５…測長条件調整画面、５６…機能ボタン、５７…プルダウンボタン、５８…スクロールバー、５９…ウインドウ、６０…コマンドボタン、６１…チェックボタン、６２…データシート、６３…特性データ、６４…ブランキング装置、６５…ファラデーカップ、６６…定電圧回路、６７…メンテナンス画面、６８…検出特性測定画面、６９…メモリＣ、７０…検出器Ａ、７１…検出器Ｂ、７２…ＥｘＢ偏向器、７３…定電流回路、７４…リレー回路、７５…静電偏向器、７６…電磁偏向器、７７…合成部、７８…合成処理調整画面、８０，９０…メモリ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸パターンが形成された試料の所定の領域に収束した荷電粒子線を走査させる偏向器と、前記荷電粒子線を前記試料の所定の領域に走査することにより前記試料から発生した荷電粒子を検出する検出器と、前記検出器で検出された荷電粒子信号に基づく走査像を処理する信号処理部とを備えた荷電粒子線装置において、
前記信号処理部は、
前記荷電粒子線が第１方向に走査されたときの前記試料の所定の領域からの荷電粒子信号に基づく第１走査像と、前記第１方向とは逆の第２方向に走査したときの前記試料の前記所定の領域からの荷電粒子信号に基づく第２走査像とを記録するメモリと、
前記メモリに記録された前記第１走査像と前記第２走査像を比較する比較演算回路と、
前記第１走査像と前記第２走査像において、走査像の信号強度が小さい方を正しい値とし、走査像を再構築する信号処理回路と、を具備していることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記信号処理回路において再構築された前記走査像は、前記試料の所定の領域に形成された凹凸パターン底部の寸法計測に用いられることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
走査される前記荷電粒子線は、電子線であることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記第１走査方向と前記第２走査方向は、約１８０度異なることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記比較演算回路は、前記第１走査像と前記第２走査像を比較して走査像同士の位置を合わせ、更に前記第１走査像と前記第２走査像から抽出した各々の信号波形を比較して信号波形同士の位置合わせを行うものであることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器を含む検出系の特性から、前記検出器で検出された荷電粒子信号に基づく走査像の信号強度を校正する機能を更に具備したことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項６記載の荷電粒子線装置において、
前記検出系の特性が、前記検出系の増倍率と信号強度の関係であることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、複数であることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項８記載の荷電粒子線装置において、
前記信号処理回路は、前記複数の検出器で検出された荷電粒子信号に基づく各々の走査像から、１つの走査像を再構築するものであることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項８記載の荷電粒子線装置において、
前記複数の検出器は、それぞれ検出感度が異なることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項１１】
凹凸パターンが形成された試料に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を走査像として記憶する工程と、前記走査像を用いて前記試料の寸法を計測する工程を含む計測方法において、
第１走査方向に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を第１走査像として記憶する工程と、
前記試料の同一領域に対し、前記第１走査方向とは逆の第２走査方向に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を第２走査像として記憶する工程と、
前記第１走査像と前記第２走査像とを比較し、走査像の信号強度が小さい方を真値とし、走査像を再構築する工程と、
前記再構築した走査像を用いて前記試料に形成されたパターン底部の寸法を計測する工程を含むことを特徴とする計測方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の計測方法において、
前記第１走査像と前記第２走査像とを比較し、走査像の信号強度が小さい方を真値とし、走査像を再構築する工程は、
前記第１走査像と前記第２走査像を比較する工程と、
比較した結果をもとに走査像同士の位置を合わせる工程と、
前記第１走査像、前記第２走査像から抽出した各々の信号波形を比較する工程と、
比較した結果をもとに信号波形同士の位置を合わせる工程と、
位置を合わせた信号波形の信号強度を比較し、信号強度が小さい方を真値とし、信号波形を再構築する工程とを含むことを特徴とする計測方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の計測方法において、
前記発生した信号荷電粒子を検出する検出系の特性から、前記信号荷電粒子に基づく走査像の信号強度を校正する工程を更に有し、
前記試料の寸法を計測する工程は、前記信号強度を校正した走査像を用いることを特徴とする計測方法。
【請求項１４】
請求項１１記載の計測方法において、
前記発生した信号荷電粒子を走査像として記憶する工程は、複数の検出器で取得した各々の走査像を記憶する工程であり、
前記信号波形を再構築する工程は、前記記憶した複数の走査像から１つの走査像を再構築する工程であることを特徴とする計測方法。
【請求項１】
凹凸パターンが形成された試料の所定の領域に収束した荷電粒子線を走査させる偏向器と、前記荷電粒子線を前記試料の所定の領域に走査することにより前記試料から発生した荷電粒子を検出する検出器と、前記検出器で検出された荷電粒子信号に基づく走査像を処理する信号処理部とを備えた荷電粒子線装置において、
前記信号処理部は、
前記荷電粒子線が第１方向に走査されたときの前記試料の所定の領域からの荷電粒子信号に基づく第１走査像と、前記第１方向とは逆の第２方向に走査したときの前記試料の前記所定の領域からの荷電粒子信号に基づく第２走査像とを記録するメモリと、
前記メモリに記録された前記第１走査像と前記第２走査像を比較する比較演算回路と、
前記第１走査像と前記第２走査像において、走査像の信号強度が小さい方を正しい値とし、走査像を再構築する信号処理回路と、を具備していることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記信号処理回路において再構築された前記走査像は、前記試料の所定の領域に形成された凹凸パターン底部の寸法計測に用いられることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
走査される前記荷電粒子線は、電子線であることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記第１走査方向と前記第２走査方向は、約１８０度異なることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記比較演算回路は、前記第１走査像と前記第２走査像を比較して走査像同士の位置を合わせ、更に前記第１走査像と前記第２走査像から抽出した各々の信号波形を比較して信号波形同士の位置合わせを行うものであることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器を含む検出系の特性から、前記検出器で検出された荷電粒子信号に基づく走査像の信号強度を校正する機能を更に具備したことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項６記載の荷電粒子線装置において、
前記検出系の特性が、前記検出系の増倍率と信号強度の関係であることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、複数であることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項８記載の荷電粒子線装置において、
前記信号処理回路は、前記複数の検出器で検出された荷電粒子信号に基づく各々の走査像から、１つの走査像を再構築するものであることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項８記載の荷電粒子線装置において、
前記複数の検出器は、それぞれ検出感度が異なることを特徴とした荷電粒子線装置。
【請求項１１】
凹凸パターンが形成された試料に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を走査像として記憶する工程と、前記走査像を用いて前記試料の寸法を計測する工程を含む計測方法において、
第１走査方向に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を第１走査像として記憶する工程と、
前記試料の同一領域に対し、前記第１走査方向とは逆の第２走査方向に収束した荷電粒子線を走査させ、発生した信号荷電粒子を第２走査像として記憶する工程と、
前記第１走査像と前記第２走査像とを比較し、走査像の信号強度が小さい方を真値とし、走査像を再構築する工程と、
前記再構築した走査像を用いて前記試料に形成されたパターン底部の寸法を計測する工程を含むことを特徴とする計測方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の計測方法において、
前記第１走査像と前記第２走査像とを比較し、走査像の信号強度が小さい方を真値とし、走査像を再構築する工程は、
前記第１走査像と前記第２走査像を比較する工程と、
比較した結果をもとに走査像同士の位置を合わせる工程と、
前記第１走査像、前記第２走査像から抽出した各々の信号波形を比較する工程と、
比較した結果をもとに信号波形同士の位置を合わせる工程と、
位置を合わせた信号波形の信号強度を比較し、信号強度が小さい方を真値とし、信号波形を再構築する工程とを含むことを特徴とする計測方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の計測方法において、
前記発生した信号荷電粒子を検出する検出系の特性から、前記信号荷電粒子に基づく走査像の信号強度を校正する工程を更に有し、
前記試料の寸法を計測する工程は、前記信号強度を校正した走査像を用いることを特徴とする計測方法。
【請求項１４】
請求項１１記載の計測方法において、
前記発生した信号荷電粒子を走査像として記憶する工程は、複数の検出器で取得した各々の走査像を記憶する工程であり、
前記信号波形を再構築する工程は、前記記憶した複数の走査像から１つの走査像を再構築する工程であることを特徴とする計測方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１３−３０２７７（Ｐ２０１３−３０２７７Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３５２２（Ｐ２０１１−１６３５２２）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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