JP2001033231A

JP2001033231A - 試料測定装置

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Publication number: JP2001033231A
Application number: JP11207233A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Koshihara; 俊介腰原; Ryuichiro Tamochi; 隆一郎多持; Koichi Kurosawa; 浩一黒澤; Takeshi Mizuno; 剛水野; Kazuhiro Ueda; 和弘植田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2001-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、自動的に半導体ウェハの多点
測定を行うのに好適な自動測定装置を提供することを目
的とするものである。【解決手段】パターンマッチングに供される参照画像の
特定部分と、試料の拡大像の特定部分の形状の形状合わ
せを行う手段と、或る測定単位毎、及び／又は前記拡大
像の特定部分の形状と前記試料像の特定部分の形状の一
致度が或るしきい値を外れた際に、参照画像を更新す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料上の所望の個
所を測定・観察する装置に係り、特に、得られた試料像
に基づいて測定・観察位置の位置合わせを行う荷電粒子
線測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイス上に形成されたパ
ターンの微細化に伴い、当該パターンが適正に形成され
ているか否かを判別する光学式半導体検査装置や荷電粒
子線を用いた半導体検査装置に、より高い観察能力が求
められている。

【０００３】その中でも特に走査形電子顕微鏡は、半導
体デバイス試料におけるサブミクロンオーダーのコンタ
クトホールやラインパターンの観察用あるいは測長用と
して広く用いられている。

【０００４】走査形電子顕微鏡は試料上で電子線を走査
し、走査領域で得られた信号（２次電子や反射電子）に
基づいて試料像を構築し、当該試料像に基づいて、試料
の観察・測定を行う装置である。

【０００５】走査形電子顕微鏡等の測定・検査装置を用
いて、半導体ウェハ等の測定を行う場合、ウェハ上に存
在するパターンを全て測定しようとすると膨大な測定時
間が必要となるので、或るいくつかのパターンを選択的
に測定することが一般的に行われている。また測定対象
となるパターンは、一般に半導体ウェハ上に散在してい
ることが多いので、半導体ウェハが載置された試料台や
電子線の照射個所の移動を伴う視野移動を行い、電子線
の走査個所を順次移動させていくことで、散在する測定
個所の測定を行っている。

【０００６】視野移動を円滑に行うために参照画像と呼
ばれる比較のための画像と、実際に走査形電子顕微鏡で
得られた拡大像を同一条件で比較し、その類似性を求
め、あらかじめ設定したしきい値以上の画像を測定点と
判断し自動測定を行う。

【０００７】特開平6−120310 号公報には、このような
パターンマッチングに基づく位置合わせを行い、その上
でパターンの線幅等を測定する走査形電子顕微鏡が開示
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】パターンマッチングに
よる測定位置合わせは、参照画像に表示された対象物の
形状と、走査形電子顕微鏡像等に表示された対象物の形
状がおおよそ一致していることが前提となる。

【０００９】また、半導体製造工程の適正な条件評価の
ためには、相当数の測定点を設ける必要があり、理想的
には半導体ウェハ上に形成された全てのチップで測定す
ることが望ましい。その測定点は数千点に及ぶことがあ
る。このような膨大な測定点を測定するために、測定を
自動的に行う装置が求められている。

【００１０】しかしながら半導体製造工程において、例
えば光学式パターン露光装置（以下ステッパ）のフォー
カス条件や露光量は、半導体ウェハ上のチップ単位で異
なることがあり、結果パターンマッチングを行うための
パターンの形状等がチップ単位で異なる場合がある。こ
の理由はステッパでは、フォーカス条件や露光量を適正
に設定するための条件出しを、これらのパラメータを順
次変えていき、実際に露光してみることで、行われるた
めである。

【００１１】チップ間のパターンの形状差は、測定対象
パターンの特定を適正に行えないことと同義であり、自
動的に測定を行う装置のエラー発生の原因ともなる。

【００１２】本発明の目的は、パターンの形状が、チッ
プ単位で異なっていたとしても、適正なパターンマッチ
ングに基づく測定パターンの特定を行うことを可能なら
しめることにあり、ひいては自動的に半導体ウェハの多
点測定を行うのに好適な自動測定装置を提供することを
目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記課
題を解決するために、測定対象物の拡大像を得る画像取
得手段と、試料像を記憶する画像記憶手段と、当該画像
記憶手段に記憶された試料像の特定部分の形状と、前記
画像取得手段によって得られた拡大像の特定部分の形状
の形状合わせを行う手段と、或る測定単位毎、及び／又
は前記拡大像の特定部分の形状と前記試料像の特定部分
の形状の一致度が或るしきい値を外れた際に、前記画像
取得手段で得られた拡大像を前記画像記憶手段に記憶さ
せる手段を備えたことを特徴とする試料測定装置を提供
する。

【００１４】以上のように構成することにより、パター
ンマッチングに供される参照画像を適正なものに更新す
ることが可能になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下図面に沿って本発明の実施例
を説明する。

【００１６】図１に本発明で使用する走査電子顕微鏡の
構成の一例を示す。陰極１と第１陽極２との間に印加さ
れた引出電圧によって引き出された一次電子線４は第２
陽極３に印加される電圧Ｖacc により加速されて後段の
レンズ系に進行する。この一次電子線４はレンズ制御電
流１４で制御された集束レンズ５と対物レンズ６により
ウェハ（試料）７に微小スポットとして収束され、二段
の偏向コイル８によってウェハ（試料）７上を二次元的
に走査される。

【００１７】偏向コイル８の走査信号は観察倍率に応じ
て偏向制御装置９によって制御される。ウェハ（試料）
７上を走査した一次電子線４により試料から発生した二
次電子１０は二次電子検出器１１で検出される。二次電
子検出器１１で検出された二次電子情報は増幅器１２で
増幅されＣＲＴ１３上に表示される。

【００１８】更に本発明実施例装置では、半導体ウェハ
の多点測定を行うために、ウェハ７を一次電子線４の照
射方向に対し、垂直な方向に移動させるＸ−Ｙステージ
（図示せず）や、一次電子線４の照射個所を大きく移動
させるイメージシフト機能（図示せず）が設けられてい
る。これらの構成によって、半導体ウェハ等の大きな試
料面を持つ試料の多点観察を可能ならしめている。また
多点観察個所は、予め装置の他のパラメータ（走査形電
子顕微鏡の光学パラメータ等）と共に装置に設定されて
いる。本発明実施例装置では、これらパラメータを基に
多点観察を自動的に行うシーケンスを備えている。

【００１９】本発明実施例装置ではＣＲＴ１３に表示さ
れた試料形状の情報を利用してパターンの自動計測を実
施する。図２は本発明実施例装置を説明するための機能
ブロック図である。画像取得手段３５は上述した走査形
電子顕微鏡等の拡大像取得部に相当する。この画像取得
手段３５は別段走査形電子顕微鏡に限られることはな
く、例えばＦＩＢ(Focused Ion Beam)装置や、レーザー
等の光学手段を用いた光学顕微鏡のような他の拡大像取
得手段であっても良い。

【００２０】また、本発明実施例では、二次電子検出器
１１が採用されているが、これに替えて或いは併用して
反射電子検出器を用いても良い。反射電子像は二次電子
像に比べて材質毎のコントラストを明確につけることが
できるため、パターンの輪郭が鮮明に現れる場合があ
り、対象試料に応じて二次電子像、及び／又は反射電子
像を使い分けることが望ましい。

【００２１】画像記憶手段３６には、パターンマッチン
グに供される参照画像（試料像）が予め記憶されてい
る。パターンマッチング部３７は、上記画像取得手段３
５と画像記憶手段３６からの拡大像と参照画像のパター
ン（特定部分）同士の形状合わせを行うところである。
この画像間のパターンマッチングの後の拡大像を用いて
測定が行われる。

【００２２】制御手段３８は、或る測定単位毎、或いは
拡大像と参照画像の類似性(一致度)が或るしきい値内か
ら外れた場合、拡大像を参照画像として記憶するよう
に、上記構成を制御するものである。

【００２３】以下に半導体ウェハに対する自動測定のス
テップについて説明する。図３に示す半導体ウェハ１５
にはＸ方向１６，Ｙ方向１７のピッチでチップ１８が全
面に作られている。自動計測はウェハ１５上に形成され
たチップ１８に存在する測定位置を自動で認識し寸法の
測定を実施するものであり、そのプロセスは代表的な測
定パターンをその他の測定パターンの参照画像として登
録し、当該参照画像と測定パターンとの類似性（一致
度）を求めて測定パターンの正誤を判断する。

【００２４】この類似性を求めるためには正規相関を用
いる。例えば図４に示す代表的な測定パターン１９での
登録モデル２０（参照画像の特定部分）と測定パターン
２１（拡大像の特定部分）との類似性を求めるとする
と、測定パターン２１上（Ｘ，Ｙ）における登録モデル
２０との対応部分の相関係数ｒを求める。相関係数ｒは
式２２から求める。ここで式２２におけるＰijは測定パ
ターン２１上の点（Ｘ＋ｉ，Ｙ＋ｊ）における濃度値を
Ｍijは登録モデル２０内の点（ｉ，ｊ）における濃度値
を示す。さらにこの相関関数ｒから類似性を表すスコア
Ｓを求めるが、このスコアＳは式２３より求める。式２
３よりスコアＳは０から１０００の間になる。このスコ
アＳが高いほど類似性は高くなる。このときあまり低い
スコアＳまで類似性があるとすると誤認識が生じる。

【００２５】図５および図６は、半導体ウェハの自動測
定ステップを説明するための図である。ウェハ上に形成
された測定パターン２４〜３２の順番で寸法を自動で測
定する場合、最初の測定パターン２４を参照画像とし第
１登録モデル３３を作成する。この第１登録モデル３３
を使用して測定パターン２４の測定を実施する。この場
合参照画像と同一の画像のためスコアＳは高くなり寸法
測定が可能となる。次に測定パターン２４を参照画像と
して測定パターン２５を測定するが、隣り合ったチップ
間では寸法測定部位の形状の変化が少ないため、スコア
Ｓは高く画像認識が良好に動作し寸法測定が可能とな
る。次に測定パターン２６を測定するわけだが、この時
直前に測定を行った測定パターン２５の測定時に参照画
像として測定パターン２５の画像認識位置を第２登録モ
デル３４として自動で登録しておく。これにより測定パ
ターン２６は測定パターン２５を参照画像とすることが
できる。

【００２６】測定パターン２４と測定パターン２５の関
係と同様に隣り合ったチップである測定パターン２５と
測定パターン２６の間の測定部位の形状変化は少ないた
めスコアＳが高くなりパターン認識が良好に動作し自動
測定が実施できる。以下測定パターン２７には測定パタ
ーン２６を測定パターン２８には測定パターン２７を参
照画像として測定するというように順次自動でパターン
マッチングのための参照画像を更新し、測定パターン３
２まで自動で寸法測定を実施することが可能となる。

【００２７】上記の方法を用いることにより、微細加工
装置の条件出しウェハのような形状変化の大きなサンプ
ルに対しても自動での寸法計測が可能となる。

【００２８】条件出しウェハとは、微細加工装置の適性
な動作条件を特定するのに用いられるものである。例え
ばステッパ等の光学条件を適正に設定せしめるため、装
置のフォーカス量や露光量等の種々の組み合わせの中か
ら適当なものを選択するのに供されるウェハである。こ
の選択を行うために図７の模式図に示すような条件出し
ウェハが用いられる。

【００２９】この条件出しウェハは、ステッパでフォー
カス量と露光量を少しずつ変化させてチップ毎に順次露
光して行き、その中からパターンが適正な線幅で形成さ
れたチップを発見し、そのチップを露光する際に用いら
れた光学条件を選択するためのものである。

【００３０】このようなウェハを用いて適正な光学条件
の組み合わせを選択するには、走査形電子顕微鏡等で各
チップの特定パターンを正確にサーチし、当該特定パタ
ーンの線幅を測定する必要があるが、上述したように各
チップ毎に光学条件が異なるため、スコアの類似性が低
くなり誤認識の可能性が高くなるという問題があった。

【００３１】本発明実施例装置は、この誤認識を防止す
るのに好適な装置の提供を目的とするものである。この
ような技術課題を解決するために、条件出しウェハ内で
も例えば隣接するチップ同士はパラメータの変化が余り
ないことに着眼し、例えば１以上のチップ毎に、当該チ
ップの拡大像を参照画像として記憶させ、隣接する次の
チップのパターンマッチングに用いることにより、測定
個所毎に行われるパターンマッチングを一致度の高い像
同士で行うことができ、誤認識の可能性を低減すること
が可能になる。

【００３２】また、本発明実施例装置による参照画像の
記憶（入れ替え）は、測定対象チップの変更毎に行うも
のとして説明したが、これに限られるものではなく、例
えば２チップ以上毎に行っても良いし、前述したスコア
が或るしきい値を外れた場合（下回った場合）に参照画
像の記憶を行っても良い。この場合、制御手段３８に
は、拡大像と参照画像の一致度を示すスコアを測定する
手段が備えられ、スコアが或るしきい値を下回ったとき
に画像取得手段３５で得られた拡大像を参照画像として
画像記憶手段に記憶するように各構成要素を制御する。

【００３３】

【発明の効果】以上本発明の構成によれば、パターンの
形状が、チップ単位で異なっていたとしても、適正なパ
ターンマッチングに基づく測定パターンの特定を行うこ
とが可能となり、更に自動的に半導体ウェハの多点測定
をエラーを起こすことなく実現することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用する走査電子顕微鏡の構成図。

【図２】本発明実施例装置を説明するための機能ブロッ
ク図。

【図３】半導体ウェハの概念図。

【図４】パターン認識の説明図。

【図５】パターンの測定順序。

【図６】本発明実施例装置の多点測定ステップを示す
図。

【図７】条件出しウェハを示す図。

【符号の説明】

１…陰極、２…第１陽極、３…第２陽極、４…一次電子
線、５…集束レンズ、６…対物レンズ、７…ウェハ、８
…偏向コイル、９…偏向制御装置、１０…二次電子、１
１…二次電子検出器、１２…増幅器、１３…ＣＲＴ、１
４…レンズ制御電流、１５…半導体ウェハ、１６…Ｘ方
向、１７…Ｙ方向、１８…チップ、１９…代表的な測定
パターン、２０…登録モデル、２１…測定パターン、２
２…相関関数ｒの式、２３…スコアＳの式、２４…第１
測定点、２５…第２測定点、２６…第３測定点、２７…
第４測定点、２８…第５測定点、２９…第６測定点、３
０…第７測定点、３１…第８測定点、３２…第９測定
点、３３…第１登録モデル、３４…第２登録モデル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｇ０１Ｂ 11/24 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５０２ＶＧ０１Ｂ 11/24 Ｋ (72)発明者多持隆一郎茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者黒澤浩一茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者水野剛茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者植田和弘茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内Ｆターム(参考） 2F065 AA56 BB03 CC19 FF41 GG04 GG12 HH04 MM16 PP12 PP24 QQ04 QQ24 QQ38 QQ41 RR02 SS13 2F067 AA03 AA15 AA54 BB01 BB04 CC17 EE10 HH06 JJ05 KK04 LL16 QQ02 RR30 RR40 SS12 4M106 AA01 AA02 BA02 CA39 DB05 DB21 DJ14 DJ21 5B057 AA03 BA02 CB12 CB16 DA03 DB02 DC33 DC39 5L096 AA06 BA03 BA18 CA18 HA08 JA03 KA04 KA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物の拡大像を得る画像取得手段
と、試料像を記憶する画像記憶手段と、当該画像記憶手
段に記憶された試料像の特定部分の形状と、前記画像取
得手段によって得られた拡大像の特定部分の形状の形状
合わせを行う手段と、或る測定単位毎、及び／又は前記
拡大像の特定部分の形状と前記試料像の特定部分の形状
の一致度が或るしきい値を外れた際に、前記画像取得手
段で得られた拡大像を前記画像記憶手段に記憶させる手
段を備えたことを特徴とする試料測定装置。
【請求項２】請求項１において、前記特定部分とは、特定の形状を有するパターンである
ことを特徴とする試料測定装置。