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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6427571
(24)【登録日】2018年11月2日
(45)【発行日】2018年11月21日
(54)【発明の名称】パターン測定方法、及びパターン測定装置
(51)【国際特許分類】
G01B 15/00 20060101AFI20181112BHJP
H01L 21/66 20060101ALI20181112BHJP
【ＦＩ】
G01B15/00 K
H01L21/66 J
H01L21/66 V
【請求項の数】15
【全頁数】28
(21)【出願番号】特願2016-531172(P2016-531172)
(86)(22)【出願日】2015年5月11日
(86)【国際出願番号】JP2015063412
(87)【国際公開番号】WO2016002341
(87)【国際公開日】20160107
【審査請求日】2016年12月22日
(31)【優先権主張番号】特願2014-133502(P2014-133502)
(32)【優先日】2014年6月30日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】501387839
【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】川田 洋揮
(72)【発明者】
【氏名】栄井 英雄
(72)【発明者】
【氏名】笹田 勝弘
【審査官】
河内 悠
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許出願公開第２０１３／０１８６７４７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２０１４−０２５８１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１１／０１３３１７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特表２０１６−５０３８９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−０７０１５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−１３２９７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−２９４３５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−３３３４１２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｂ １５／００ − １５／０８
Ｇ０１Ｎ １／００ − １／３４
Ｇ０１Ｎ ２３／００ − ２３／２２７
Ｈ０１Ｊ ３７／００ − ３７／３６
Ｈ０１Ｌ ２１／６６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、深溝を含む立体構造を有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、前記パターンが複数配列された試料領域に、前記パターンの底より深い領域が含まれるよう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との境界となる第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前記パターンの底部を示す第２の位置をパターンサーチにより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、前記傾斜面の角度とに基づいて、前記パターンの深さ方向の寸法を求めるステップとを有することを特徴とするパターン測定方法。
集束イオンビームの照射によって、前記パターンが複数配列された試料領域に、前記パターンの底より深い領域が含まれるよう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との境界となる第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前記パターンの底部を示す第２の位置をパターンサーチにより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、前記傾斜面の角度とに基づいて、前記パターンの深さ方向の寸法を求めるステップとを有することを特徴とするパターン測定方法。
【請求項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。
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。
【請求項3】
請求項２において、
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を測定するにあたり、前記第２の位置として前記コンタクトホールの重心位置を特定することを特徴とするパターン測定方法。
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を測定するにあたり、前記第２の位置として前記コンタクトホールの重心位置を特定することを特徴とするパターン測定方法。
【請求項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パターンの測定を実行するパターン測定方法であって、
前記フィン状パターンの両側は他の層によって埋められ、かつ前記フィン状パターンの上端は前記他の層から突き出しており、
集束イオンビームの照射によって、前記フィン状パターン及び前記他の層の断面がその表面に露出するように、前記フィン状パターンを含む試料領域に傾斜面を形成するステップと、
前記フィン状パターンの上端及び前記他の層の上面を含むように、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に対してテンプレートマッチングにより位置合わせを行うステップと、
前記テンプレートマッチングにより特定された第１の領域において、前記フィン状パターンの上端を示す第１の位置を特定するステップと、
前記テンプレートマッチングにより特定された第２の領域において、前記他の層の上面を示す第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、前記傾斜面の角度とに基づいて、前記フィン状パターンの上端と前記他の層の上面との間の高さ方向の寸法測定を実行するステップとを有することを特徴とするパターン測定方法。
前記フィン状パターンの両側は他の層によって埋められ、かつ前記フィン状パターンの上端は前記他の層から突き出しており、
集束イオンビームの照射によって、前記フィン状パターン及び前記他の層の断面がその表面に露出するように、前記フィン状パターンを含む試料領域に傾斜面を形成するステップと、
前記フィン状パターンの上端及び前記他の層の上面を含むように、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に対してテンプレートマッチングにより位置合わせを行うステップと、
前記テンプレートマッチングにより特定された第１の領域において、前記フィン状パターンの上端を示す第１の位置を特定するステップと、
前記テンプレートマッチングにより特定された第２の領域において、前記他の層の上面を示す第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、前記傾斜面の角度とに基づいて、前記フィン状パターンの上端と前記他の層の上面との間の高さ方向の寸法測定を実行するステップとを有することを特徴とするパターン測定方法。
【請求項5】
請求項４において、
前記フィン状パターンはＦｉｎＦＥＴに含まれる構造であることを特徴とするパターン測定方法。
前記フィン状パターンはＦｉｎＦＥＴに含まれる構造であることを特徴とするパターン測定方法。
【請求項6】
請求項５において、
前記第２の位置について、前記フィン状パター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。
前記第２の位置について、前記フィン状パター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。
【請求項7】
請求項４において、
前記他の層は酸化シリコン層であることを特徴とするパターン測定方法。
前記他の層は酸化シリコン層であることを特徴とするパターン測定方法。
【請求項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深穴、深溝を含む立体構造を有するパターンの寸法を測定するパターン測定装置において、
前記パターンが複数配列された試料領域に前記パターンの底より深い領域が含まれるように形成された傾斜面について前記走査電子顕微鏡によって取得した画像に基づいて、前記傾斜面と非傾斜面との間の境界となる第１の位置を特定し、前記傾斜面内に位置する前記パターンの底部を示す第２の位置をパターンサーチにより特定し、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を測定し、当該寸法値と、前記傾斜面と前記試料表面との間の相対角とに基づいて、前記パターンの深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。
前記パターンが複数配列された試料領域に前記パターンの底より深い領域が含まれるように形成された傾斜面について前記走査電子顕微鏡によって取得した画像に基づいて、前記傾斜面と非傾斜面との間の境界となる第１の位置を特定し、前記傾斜面内に位置する前記パターンの底部を示す第２の位置をパターンサーチにより特定し、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を測定し、当該寸法値と、前記傾斜面と前記試料表面との間の相対角とに基づいて、前記パターンの深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。
【請求項9】
請求項８において、
前記演算装置は、前記第２の位置として前記パターンの重心位置を特定し、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を測定することを特徴とするパターン測定装置。
前記演算装置は、前記第２の位置として前記パターンの重心位置を特定し、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を測定することを特徴とするパターン測定装置。
【請求項10】
請求項８において、
前記演算装置は、前記画像の一部を切り出して形成したテンプレートを用いて、前記傾斜面の深さ方向に向かって前記パターンサーチを行い、前記傾斜面の画像と前記テンプレートとのマッチングスコアが所定値以下となる位置を特定することにより、前記第２の位置を特定することを特徴とするパターン測定装置。
前記演算装置は、前記画像の一部を切り出して形成したテンプレートを用いて、前記傾斜面の深さ方向に向かって前記パターンサーチを行い、前記傾斜面の画像と前記テンプレートとのマッチングスコアが所定値以下となる位置を特定することにより、前記第２の位置を特定することを特徴とするパターン測定装置。
【請求項11】
走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、フィン状パターンの両側が酸化シリコン層によって埋められ、かつ前記フィン状パターンの上端が前記酸化シリコン層から突き出した構造を有する試料上に形成された前記フィン状パターンの寸法を測定するパターン測定装置において、
前記フィン状パターン及び前記酸化シリコン層の断面がその表面に露出するように形成された傾斜面について前記走査電子顕微鏡によって取得した画像に基づいて、テンプレートマッチングにより特定された第１の領域において前記フィン状パターンの上端を示す第１の位置を特定し、前記テンプレートマッチングにより特定された第２の領域において前記酸化シリコン層の上面を示す第２の位置を特定し、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、前記傾斜面の角度とに基づいて、前記フィン状パターンの上端と前記酸化シリコン層の上面との間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。
前記フィン状パターン及び前記酸化シリコン層の断面がその表面に露出するように形成された傾斜面について前記走査電子顕微鏡によって取得した画像に基づいて、テンプレートマッチングにより特定された第１の領域において前記フィン状パターンの上端を示す第１の位置を特定し、前記テンプレートマッチングにより特定された第２の領域において前記酸化シリコン層の上面を示す第２の位置を特定し、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、前記傾斜面の角度とに基づいて、前記フィン状パターンの上端と前記酸化シリコン層の上面との間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。
【請求項12】
請求項１１において、
前記試料は、第１、第２及び第３のフィン状パターン、前記第１のフィン状パターンと前記第２のフィン状パターンとの間に位置する前記酸化シリコン層の第１の上面、及び前記第１のフィン状パターンと前記第３のフィン状パターンとの間に位置する前記酸化シリコン層の第２の上面を有しており、
前記演算装置は、前記第１のフィン状パターンの上端と前記酸化シリコン層の上面との間の高さ方向の寸法を、前記第１のフィン状パターンの上端と前記酸化シリコン層の前記第１の上面との間の高さ方向の寸法と前記第１のフィン状パターンの上端と前記酸化シリコン層の前記第２の上面との間の高さ方向の寸法との平均として求めることを特徴とするパターン測定装置。
前記試料は、第１、第２及び第３のフィン状パターン、前記第１のフィン状パターンと前記第２のフィン状パターンとの間に位置する前記酸化シリコン層の第１の上面、及び前記第１のフィン状パターンと前記第３のフィン状パターンとの間に位置する前記酸化シリコン層の第２の上面を有しており、
前記演算装置は、前記第１のフィン状パターンの上端と前記酸化シリコン層の上面との間の高さ方向の寸法を、前記第１のフィン状パターンの上端と前記酸化シリコン層の前記第１の上面との間の高さ方向の寸法と前記第１のフィン状パターンの上端と前記酸化シリコン層の前記第２の上面との間の高さ方向の寸法との平均として求めることを特徴とするパターン測定装置。
【請求項13】
請求項１１において、
前記演算装置は、前記第１の領域における輝度分布に基づき前記第１の位置を特定し、前記第２の領域における輝度分布に基づき前記第２の位置を特定することを特徴とするパターン測定装置。
前記演算装置は、前記第１の領域における輝度分布に基づき前記第１の位置を特定し、前記第２の領域における輝度分布に基づき前記第２の位置を特定することを特徴とするパターン測定装置。
【請求項14】
請求項１３において、
前記演算装置は、前記第１の領域における前記フィン状パターンの幅方向であるＸ方向の輝度分布に基づき前記第１の位置を特定し、前記第２の領域における前記Ｘ方向に直交するＹ方向の輝度分布に基づき前記第２の位置を特定することを特徴とするパターン測定装置。
前記演算装置は、前記第１の領域における前記フィン状パターンの幅方向であるＸ方向の輝度分布に基づき前記第１の位置を特定し、前記第２の領域における前記Ｘ方向に直交するＹ方向の輝度分布に基づき前記第２の位置を特定することを特徴とするパターン測定装置。
【請求項15】
請求項１１において、
前記テンプレートマッチングに用いるテンプレートは、前記傾斜面に露出した前記フィン状パターン、前記傾斜面に露出した前記酸化シリコン層、及び前記フィン状パターンの両側の空間の像を含むことを特徴とするパターン測定装置。
前記テンプレートマッチングに用いるテンプレートは、前記傾斜面に露出した前記フィン状パターン、前記傾斜面に露出した前記酸化シリコン層、及び前記フィン状パターンの両側の空間の像を含むことを特徴とするパターン測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。【背景技術】
【0002】
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。【0003】
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。【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００５−２３５４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。【0006】
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。【0007】
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。【0008】
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。【0009】
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。【0010】
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。【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するための一態様として、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、深溝を含む立体構造を有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、前記パターンが複数配列された試料領域に、前記パターンの底より深い領域が含まれるよう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との境界となる第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前記パターンの底部を示す第２の位置をパターンサーチにより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、前記傾斜面の角度とに基づいて、前記パターンの深さ方向の寸法を求めるステップとを有するパターン測定方法を提案する。
【0012】
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パターンの測定を実行するパターン測定方法であって、前記フィン状パターンの両側は他の層によって埋められ、かつ前記フィン状パターンの上端は前記他の層から突き出しており、集束イオンビームの照射によって、前記フィン状パターン及び前記他の層の断面がその表面に露出するように、前記フィン状パターンを含む試料領域に傾斜面を形成するステップと、前記フィン状パターンの上端及び前記他の層の上面を含むように、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に対してテンプレートマッチングにより位置合わせを行うステップと、前記テンプレートマッチングにより特定された第１の領域において、前記フィン状パターンの上端を示す第１の位置を特定するステップと、前記テンプレートマッチングにより特定された第２の領域において、前記他の層の上面を示す第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、前記傾斜面の角度とに基づいて、前記フィン状パターンの上端と前記他の層の上面との間の高さ方向の寸法測定を実行するステップとを有するパターン測定方法を提案する。
【0013】
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深穴、深溝を含む立体構造を有するパターンの寸法を測定するパターン測定装置であって、前記パターンが複数配列された試料領域に前記パターンの底より深い領域が含まれるように形成された傾斜面について前記走査電子顕微鏡によって取得した画像に基づいて、前記傾斜面と非傾斜面との間の境界となる第１の位置を特定し、前記傾斜面内に位置する前記パターンの底部を示す第２の位置をパターンサーチにより特定し、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を測定し、当該寸法値と、前記傾斜面と前記試料表面との間の相対角とに基づいて、前記パターンの深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。
【0014】
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、フィン状パターンの両側が酸化シリコン層によって埋められ、かつ前記フィン状パターンの上端が前記酸化シリコン層から突き出した構造を有する試料上に形成された前記フィン状パターンの寸法を測定するパターン測定装置であって、前記フィン状パターン及び前記酸化シリコン層の断面がその表面に露出するように形成された傾斜面について前記走査電子顕微鏡によって取得した画像に基づいて、テンプレートマッチングにより特定された第１の領域において前記フィン状パターンの上端を示す第１の位置を特定し、前記テンプレートマッチングにより特定された第２の領域において前記酸化シリコン層の上面を示す第２の位置を特定し、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、前記傾斜面の角度とに基づいて、前記フィン状パターンの上端と前記酸化シリコン層の上面との間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。【発明の効果】
【0015】
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。【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】走査電子顕微鏡の概要を示す図。
【図2】集束イオンビーム装置の概要を示す図。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】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。
【図8】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。
【図9】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。
【図10】試料の深さ情報を得る工程を示すフローチャート。
【図11】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。
【図12】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。
【図13】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。
【図14】ＦＩＢ斜め切り加工したダミーゲート断面構造を示す図。
【図15】ダミーゲート内のフィンの幅を測定する例を示す図。
【図16】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。
【図17】Ｆｉｎの側壁角度の計測例を示す図。
【図18】傾斜加工領域を含む低倍率画像の一例を示す図。
【図19】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。
【図20】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。
【図21】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。
【図22】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。
【図23】Ｆｉｎ頂点を自動的に特定する手法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【0017】
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。【0018】
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。【0019】
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。【0020】
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。【0021】
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。【0022】
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。【0023】
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。【0024】
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。【0025】
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。【0026】
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。【0027】
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。【0028】
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。【0029】
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。
【0030】
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。【0031】
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。【0032】
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。【0033】
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。【0034】
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。【0035】
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。【0036】
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。【0037】
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。【0038】
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。【0039】
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。【0040】
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。【0041】
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。【0042】
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。【0043】
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。【0044】
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。【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。【0048】
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。【0049】
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。【0050】
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。【0051】
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。【0052】
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。【0053】
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。【0054】
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。【0055】
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。【0056】
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。【0057】
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。【0058】
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。【0059】
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。【0060】
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。【0061】
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。【0062】
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。【0063】
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）。【0064】
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。【0065】
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）。【0066】
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。【0067】
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）。【0068】
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。【0069】
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。【0070】
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。【0071】
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。【0072】
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。【0073】
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。【0074】
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。
【0075】
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。【0076】
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。【0077】
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。
【0078】
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。【0079】
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。【0080】
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。【0081】
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。【0082】
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。【0083】
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。【0084】
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。
【0085】
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。【0086】
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 ＥｄｇｅＲｏｕｇｈｎｅｓｓ）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。
【0087】
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。【0088】
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。【0089】
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。【0090】
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。【0091】
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。【0092】
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。【0093】
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。【0094】
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。
【0095】
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。【0096】
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。【0097】
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。【0098】
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。【0099】
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。【0100】
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。【符号の説明】
【0101】
１００ ＳＥＭ１０１ 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