JP2005147773A

JP2005147773A - パターンの寸法測定方法

Info

Publication number: JP2005147773A
Application number: JP2003383207A
Authority: JP
Inventors: Michiyo Iwamoto; 三千代岩元
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】半導体基板上に形成された寸法測定パターンの寸法を測長ＳＥＭを用いて測定する際、画像認識しようとするパターン画像が装置画面中央に表示されず、画像認識エラーが発生し、測定動作が停止することを防止する。
【解決手段】第１の倍率で位置認識パターン１６の二次電子画像が表示されないとき、第１の倍率より低い第２の倍率で二次電子画像を表示するとともに、登録された位置認識パターンデータ１７を第２の倍率に変換し、第２の倍率の二次電子画像と変換した位置認識パターンデータ１７とを比較することによって位置認識パターン１６の位置を認識する。このように画像認識エラー時に、ＳＥＭ画面の倍率と同時に、検出しようとする画像に対応する、測長ＳＥＭ内に登録された登録画像そのものの倍率も下げて同倍率にすることによって、低倍率のＳＥＭ画像と登録画像とで直接比較位置検出できるようにする。
【選択図】図３

Description

この発明は、半導体集積回路装置等の上に形成された微細パターンの寸法測定方法に関するものである。

半導体集積回路装置上に形成された素子寸法の微細化にともなって、電子線を半導体基板上の寸法測定用パターンに照射し、そこからの二次電子を検出し、寸法測定パターンの二次電子信号波形からパターン寸法を測定する方法が一般に用いられている（例えば、特許文献１）。

以下に、従来の微細パターンの寸法測定方法を、図を用いて説明する。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図８は、従来の微細パターンの寸法測定方法を説明するための図である。図５（Ａ）は、微細パターンの寸法測定を行うウェハの平面図であり、半導体基板１上に寸法測定パターンを含む領域２，３，４，５，６と、その領域内に形成された寸法測定パターン７，８，９，１０，１１および寸法測定に際してウェハ上の位置を認識するための位置認識パターン１２，１３が示されている。

微細パターンの寸法測定は、通常測長ＳＥＭと呼ばれる寸法測定装置にて行われる。この寸法測定方法ではまず半導体基板１は測長ＳＥＭのステージ上に設置され、測定用の真空室に挿入され測定が開始される。はじめに、測定装置に付属する１００倍程度の倍率の光学顕微鏡を用いて、位置認識パターン１２，１３の画像を真空中にて検出し、あらかじめ登録してある位置認識パターン形状の画像と比較することにより、位置認識パターン１２，１３のステージ上での位置を認識する。次に画面を位置認識パターンの二次電子画像すなわちＳＥＭ画像に切り替え、光学顕微鏡にて検出した位置認識パターンの座標に基づいて、ＳＥＭ画像での位置認識パターン１２，１３の画像を検出し、あらかじめ登録してあるＳＥＭ上での所定倍率における位置認識パターン形状の画像と比較することにより、位置認識パターン１２，１３のステージ上での位置を認識する。

はじめに光学顕微鏡にて位置認識を行うのは、ステージ上にマニュアル（→ウェハカセットから機械的な搬送システムにより）で半導体基板１を設置する場合、測長ＳＥＭに設けられたステージ上での絶対座標に対して、１００μｍから２００μｍ程度の位置ずれが生じることがさけられないためである。図５（Ｂ）は位置認識パターン１２あるいは１３のＳＥＭで見た画像であり、１４はＳＥＭでの観察領域、１５は位置認識パターンを示す。位置認識パターン１５の大きさは、半導体基板１上で１０μｍ程度であり、位置認識パターン１５をＳＥＭ画像で認識するためには、ＳＥＭ画像の倍率を５千倍から１万倍程度にしなくてはならない。

ＳＥＭ画像の倍率を１万倍程度にした場合、ＳＥＭでの観察領域１４は１５μｍ□程度となり、ステージ上に設置された半導体基板１の絶対座標に対する１００μｍから２００μｍ程度の位置ずれのため、ＳＥＭでの観察領域１４から位置認識パターン１５が大きくはみ出してしまい、光学顕微鏡による位置認識をしないと探すことができないことになる。そのため、１００倍程度の倍率の光学顕微鏡を用いて、半導体基板１上で１ｍｍ□程度の視野を確保し、ステージ上に設置された半導体基板１の絶対座標に対する１００μｍから２００μｍ程度の位置ずれに対応する。

ＳＥＭ画像にて位置認識パターン１２，１３の位置を認識したのち、次に位置認識パターン１２，１３を原点とした寸法測定パターンを含む領域２，３，４，５，６のいずれかの座標へ移動し、図６（Ａ）に示す、寸法測定箇所の近くにあり、周辺に似た形がなく他と判別しやすい２１のようなユニークなパターンを含む特長的なパターン領域２０を検出する。パターン２０，２１は図５（Ａ）では記載していなかったが実際には寸法測定パターン領域中には形成されている。ここでＳＥＭには、あらかじめ、パターン領域２０の画像および特長的なパターン領域２１から寸法測定を行なう位置までの距離２２が登録してあり、登録してある画像と、実際に観察したパターン２１を含む特長的なパターン領域２０の画像とを比較することにより、パターン領域２０の位置を認識し、スキャンする電子線を寸法測定位置へ移動する。

その後測定パターン１９へ電子線をスキャンさせ、このとき得られる図６（Ｂ）のような二次電子信号波形の、測定パターン１９の２辺のエッジ２３，２４を画像処理にて自動検出し、その距離を計測することにより寸法測定が行われる。寸法測定は、以上のようにあらかじめ寸法測定に必要な各種パターン形状の画像を測長ＳＥＭに登録し、その画像に最も類似した画像を認識してパターンを検出する。これにより、寸法測定は、ウェハ上の位置認識から測定パターンの検索、測定までを全て自動で行うことができるので、測定者の違いに起因する測定した寸法値のばらつきを低減し、測定者数の削減を可能とするため、今後主流となる寸法測定方法であると考えられる。
特開平５−９４９４２号公報

しかし、前記従来の寸法測定における画像検出方法では以下のような課題があった。光学顕微鏡での位置認識の後、ＳＥＭ画像での位置認識をする際、光学顕微鏡画面とＳＥＭ画面の間に、装置に依存した相対的な位置ずれが発生する。この位置ずれは、光学顕微鏡の座標原点とＳＥＭの座標原点を、人間が合わせ込む必要があり、その際に物理的に数μｍから十数μｍのずれが生じるため、機械的精度上避けられないずれである。この場合、通常、ＳＥＭ画像にて画像認識しようとするパターン画像が装置画面中央に表示されるはずが、位置ずれにより、ＳＥＭ画像での位置認識パターンが中央に表示されず、図７（Ａ）、（Ｂ）のように、ＳＥＭでの観察領域１４から位置認識パターン１５がはみだしたり、全く画面上に映らず画面外に存在する現象が起こる。

画像認識しようとする位置認識パターン１５がＳＥＭ画面表示領域内に表示されない場合は、画像認識エラーが発生し、測定動作が停止する。位置認識パターンのＳＥＭ像は、高倍率の方が、コントラストが良く、画像検出しやすいが、ＳＥＭ画面の視野の範囲がすでに述べたよう１５μｍ□程度に限られるため、これ以上高すぎてもますます検出されにくくなる。図８で示すように、画面の倍率を下げて検索する方法があるが、この場合、所定倍率で登録した画像２６と倍率を下げたＳＥＭ画像１６の大きさが異なってしまうため、検出不可能となる。以上のように従来の技術ではパターン検索時間が長くかかったり、測定動作が停止することにより、測定作業効率の低下につながるという問題があった。

したがって、この発明の目的は、半導体基板上に形成された寸法測定パターンの寸法を測長ＳＥＭを用いて測定する際、目的の位置認識パターンなどが画像検出エリアから外れ、画像認識できないことを防止し、画像認識率を向上させる画像検索方法を用いたパターンの寸法測定方法を提供することである。

前記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載のパターンの寸法測定方法は、基板上に形成された位置認識パターンのＳＥＭによる二次電子画像を第１の倍率で観察領域に表示し、予め登録された前記第１の倍率の位置認識パターンデータと比較することによって前記位置認識パターンの位置を認識し、前記認識した位置に基づいて前記基板上に形成されたパターンに電子線を照射し、前記パターンからの二次電子信号を検出することにより前記パターンの寸法を測定するパターンの寸法測定方法であって、前記第１の倍率で前記位置認識パターンの二次電子画像が表示されないとき、前記第１の倍率より低い第２の倍率で前記二次電子画像を表示するとともに、前記登録された位置認識パターンデータを第２の倍率に変換し、前記第２の倍率の二次電子画像と前記変換した位置認識パターンデータとを比較することによって前記位置認識パターンの位置を認識する。

請求項２記載のパターンの寸法測定方法は、基板上に形成された位置認識パターンのＳＥＭによる二次電子画像を第１の倍率で観察領域に表示し、予め登録された前記第１の倍率の位置認識パターンデータと比較することによって前記位置認識パターンの位置を認識し、前記認識した位置に基づいて前記基板上に形成されたパターンに電子線を照射し、前記パターンからの二次電子信号を検出することにより前記パターンの寸法を測定するパターンの寸法測定方法であって、前記第１の倍率で前記位置認識パターンの二次電子画像が表示されないとき、前記第１の倍率より低い第２の倍率で前記二次電子画像を表示するとともに、前記登録された位置認識パターンデータを第２の倍率に変換し、前記第２の倍率の二次電子画像と前記変換した第２の倍率の位置認識パターンデータとを比較することによって前記位置認識パターンの位置を認識するステップと、前記位置認識パターンの二次電子画像を前記観察領域の中央に移動させるステップと、前記移動させた位置認識パターンの二次電子画像を第１の倍率で表示するとともに、この第１の倍率の二次電子画像と前記登録された第１の倍率の位置認識パターンデータと比較して、新たに前記位置認識パターンの位置を認識するステップとを含むパターンの寸法測定方法。

請求項３記載のパターンの寸法測定方法は、請求項１または２記載のパターンの寸法測定方法において、前記第１の倍率は５０００倍以上１００００倍以下であり、前記第２の倍率は１０００倍以上５０００倍未満である。

この発明の請求項１記載のパターンの寸法測定方法によれば、第１の倍率で位置認識パターンの二次電子画像が表示されないとき、第１の倍率より低い第２の倍率で二次電子画像を表示するとともに、登録された位置認識パターンデータを第２の倍率に変換し、第２の倍率の二次電子画像と変換した位置認識パターンデータとを比較することによって位置認識パターンの位置を認識するので、測長ＳＥＭで微細パターン寸法測定する時に、測長位置を特定するための位置認識パターンが画像検出エリアから外れ、画像認識できなかった場合、その画面と検出しようとする登録画像の倍率を下げ、同倍率にすることによって、位置認識パターンを確実に検出することができる。

この発明の請求項２記載のパターンの寸法測定方法によれば、第１の倍率で位置認識パターンの二次電子画像が表示されないとき、第１の倍率より低い第２の倍率で二次電子画像を表示するとともに、登録された位置認識パターンデータを第２の倍率に変換し、第２の倍率の二次電子画像と変換した第２の倍率の位置認識パターンデータとを比較することによって位置認識パターンの位置を認識するステップと、位置認識パターンの二次電子画像を観察領域の中央に移動させるステップと、移動させた位置認識パターンの二次電子画像を第１の倍率で表示するとともに、この第１の倍率の二次電子画像と登録された第１の倍率の位置認識パターンデータと比較して、新たに位置認識パターンの位置を認識するステップとを含むので、請求項１の作用効果に加えて、再度元の倍率に上げて位置認識をすることにより倍率が高いだけ位置認識の精度が向上する。

請求項３では、第１の倍率は５０００倍以上１００００倍以下であり、第２の倍率は１０００倍以上５０００倍未満であるので、第１の倍率により大きさが１０μｍ程度の位置認識パターンをＳＥＭ画像で認識することができ、第２の倍率により広い視野を確保し、第１の倍率で画面に表示されない位置認識パターンを表示し、検出可能とする。

この発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１（Ａ）、図1（Ｂ）、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図４は、本発明の実施形態による微細パターンの自動寸法測定方法について示した図である。

このパターンの寸法測定方法は、半導体などの基板上に形成された位置認識パターン１５のＳＥＭによる二次電子画像（ＳＥＭ画像）を第１の倍率で観察領域１４に表示し、予め登録された第１の倍率の位置認識パターンデータと比較することによって位置認識パターン１５の位置を認識し、認識した位置に基づいて基板上に形成されたパターンに電子線を照射し、パターンからの二次電子信号を検出することによりパターンの寸法を測定するパターン寸法測定装置を用いて行う。このような構成において、第１の倍率で位置認識パターン１５の二次電子画像が表示されないとき、第１の倍率より低い第２の倍率で二次電子画像を表示するとともに、登録された位置認識パターンデータを第２の倍率に変換し、第２の倍率の二次電子画像と変換した位置認識パターンデータとを比較することによって位置認識パターン１５の位置を認識する。以下、具体的に説明する。

図１（Ａ）は、微細パターンの寸法測定を行う対象であるウェハの平面図である。半導体基板上１に寸法測定用のパターンを含む領域２，３，４，５，６と、その領域内に寸法測定パターン７，８，９，１０，１１、および寸法測定に際してウェハ上の寸法測定パターン位置を認識するための位置認識パターン１２，１３が形成されている。本発明の実施形態においても微細パターンの寸法測定は、測長ＳＥＭにて行う。

まず、半導体基板１は測長ＳＥＭのステージ上に設置され、測定用の真空室に挿入され測定を開始する。はじめに１００倍程度の低倍率である光学顕微鏡を用いて、位置認識パターン１２，１３の画像を真空中にて検出し、あらかじめ登録してある、光学顕微鏡の所定倍率（ここでは１００倍）における位置認識パターン形状画像と比較することにより、位置認識パターン１２，１３のステージ上での位置を認識する。次に位置認識パターンの二次電子画像、すなわちＳＥＭ画像に切り替えて、位置認識パターン１２，１３の画像を検出し、あらかじめ登録してあるＳＥＭ画面で見た位置認識パターンの画像と比較することにより、位置認識パターン１２，１３のステージ上での位置を認識する。はじめに光学顕微鏡にて位置認識を行なうのは、従来と同様ステージ上に設置された半導体基板１の位置が測長ＳＥＭにおけるステージ上での絶対座標に対して、１００μｍから２００μｍ程度の位置ずれが生じているためである。

図１（Ｂ）は位置認識パターンのＳＥＭ画像を示す説明図である。１４はＳＥＭでの観察領域、１５は前記位置認識パターンを示す。位置認識パターン１５の大きさは、半導体基板１上で１０μｍ程度であり、この位置認識パターン１５をＳＥＭ画像で認識するためには、原則的にはＳＥＭ画像の倍率を５千倍から１万倍程度にしなくてはならない。

光学顕微鏡での位置認識の後、ＳＥＭ画像での位置認識をする際、光学顕微鏡画面とＳＥＭ画面の間に一般に位置ずれが発生する。この場合、通常ＳＥＭ画像にて画像認識しようとするパターン画像が装置画面中央に表示されるはずが、位置ずれにより、ＳＥＭ画像での位置認識パターンが中央に表示されず、図２（Ａ）、（Ｂ）のように、ＳＥＭでの観察領域１４から前記位置認識パターン１５がはみ出したり、全く画面上に映らず画面外にあるような場合がある。

ＳＥＭで位置認識パターンを認識する場合、例えば２０μｍ□の視野である５０００倍の倍率で画面にてパターンが画面に表示されない場合、２０００倍に倍率を下げてＳＥＭ画面上で１００μｍ□の視野を確保し、位置認識パターン１６を表示し、検出可能とする。図３は画面の倍率を５０００倍から２０００倍に下げたときのＳＥＭ表示画像の説明図である。この操作に対応し、測長ＳＥＭ内にすでに登録されている位置認識パターン画像データすなわち登録画像１７そのものの倍率も画像データ処理にて倍率を変換し、上記低倍率で表示した画面と同倍率にする。そしてＳＥＭで検出した位置認識パターン１６と登録画像１７とを比較検出し、検出した画像を画面の中央に移動させる。次にＳＥＭ画像の倍率を再び元の登録画像の倍率すなわち５０００倍〜１００００倍に上げ、元の登録画像と比較して再度位置検出することにより、位置認識パターンの座標を検出できる。この座標に基づけば測定すべきパターン７〜１１も精度良く検出することができる。

なお、低倍率２０００倍のまま位置認識パターン１５の位置（座標値）を認識し、この認識座標に基づいて寸法測定用パターン７〜１１を検出することもできるが、再度元の倍率に上げて位置認識をする方が倍率が高いだけ位置認識の精度が上昇する。ここで低倍率を２０００倍としたが、１０００倍以上５０００倍未満の倍率を使用することが適切である。

このようにしてＳＥＭ画像にて位置認識パターン１２，１３の位置を認識したのち、位置認識パターンを原点とした寸法測定パターンを含む領域２，３，４，５，６のいずれかの座標へ移動する。図４（Ａ）は寸法測定領域１８の部分を示す説明図である。寸法測定領域１８は、図１（Ａ）の領域２，３，４，５，６に相当するものであり、その内部には寸法測定パターン１９が形成され、その近くに、図１（Ａ）では示さなかったが周辺に似た形のない特長的なパターン領域２０，２１が形成されている。寸法測定のためにはまずこれを検出する。ここでＳＥＭには、あらかじめ特長的なパターン領域２０の画像および特長的なパターン領域２０から寸法測定を行なう位置までの距離２２が登録してあり、登録してある画像と、特長的なパターン領域２０の実際に表示された画像とを比較することにより、パターン領域２０の位置を認識する。

そしてこのパターン２０を基準として寸法測定パターン１９の位置へ移動し、測定パターンへ電子線をスキャンさせ、このとき得られる図４（Ｂ）のような二次電子信号波形２５の測定パターン１９の２辺エッジ２３およびエッジ２４を画像処理にて自動検出し、その距離を計測することにより寸法測定を行う。

以上説明したように、本発明の実施形態では、ＳＥＭによる自動寸法測定時に目的の位置認識パターンが画像検出エリアから外れた場合、画面の倍率を下げて位置認識パターンをＳＥＭ表示画面内に入れ、それと同時に位置認識パターンの登録画像の倍率を自動画像データ処理などによって同倍率とした後ＳＥＭ画像上の位置認識パターンと比較して検出するので、従来とは異なり確実に位置認識をすることができるようになる。

本発明に係るパターンの寸法測定方法は、測長ＳＥＭで微細パターン寸法測定する時に、測長位置を特定するための位置認識パターンが画像検出エリアから外れ、画像認識できなかった場合、その画面と検出しようとする登録画像の倍率を下げ、同倍率にすることによって、位置認識パターンを確実に検出することができるという効果を有し、半導体集積回路装置等の上に形成された微細パターンの寸法測定方法として有用である。

（Ａ）は本発明の実施形態において微細パターンの寸法測定を行う対象であるウェハの平面図、（Ｂ）は位置認識パターンのＳＥＭ画像を示す説明図である。（Ａ）はＳＥＭでの観察領域から位置認識パターンがはみ出した場合の説明図（Ｂ）は全く画面上に映らず画面外にあるような場合の説明図である。本発明の実施形態において画面の倍率を下げたときのＳＥＭ表示画像の説明図である。（Ａ）は本発明の実施形態において寸法測定領域の部分を示す説明図、（Ｂ）寸法測定を行う説明図である。（Ａ）は従来例において微細パターンの寸法測定を行う対象であるウェハの平面図、（Ｂ）は位置認識パターンのＳＥＭ画像を示す説明図である。（Ａ）は従来例において寸法測定領域の部分を示す説明図、（Ｂ）寸法測定を行う説明図である。（Ａ）はＳＥＭでの観察領域から位置認識パターンがはみ出した場合の説明図（Ｂ）は全く画面上に映らず画面外にあるような場合の説明図である。従来例における問題点を示す説明図である。

符号の説明

１半導体基板
２，３，４，５，６寸法測定パターンを含む領域
７，８，９，１０，１１寸法測定パターン
１２，１３位置認識パターン
１４ＳＥＭ画面
１５，１６位置認識パターンのＳＥＭ画像
１７，２６位置認識パターンの登録ＳＥＭ画像
１８寸法測定パターンを含む領域
１９寸法測定パターン
２０ユニークなパターン領域
２１ユニークなパターン
２２ユニークなパターン領域と測定箇所の距離
２３，２４エッジ
２５二次電子信号波形

Claims

基板上に形成された位置認識パターンのＳＥＭによる二次電子画像を第１の倍率で観察領域に表示し、予め登録された前記第１の倍率の位置認識パターンデータと比較することによって前記位置認識パターンの位置を認識し、前記認識した位置に基づいて前記基板上に形成されたパターンに電子線を照射し、前記パターンからの二次電子信号を検出することにより前記パターンの寸法を測定するパターンの寸法測定方法であって、前記第１の倍率で前記位置認識パターンの二次電子画像が表示されないとき、前記第１の倍率より低い第２の倍率で前記二次電子画像を表示するとともに、前記登録された位置認識パターンデータを第２の倍率に変換し、前記第２の倍率の二次電子画像と前記変換した位置認識パターンデータとを比較することによって前記位置認識パターンの位置を認識することを特徴とするパターンの寸法測定方法。
基板上に形成された位置認識パターンのＳＥＭによる二次電子画像を第１の倍率で観察領域に表示し、予め登録された前記第１の倍率の位置認識パターンデータと比較することによって前記位置認識パターンの位置を認識し、前記認識した位置に基づいて前記基板上に形成されたパターンに電子線を照射し、前記パターンからの二次電子信号を検出することにより前記パターンの寸法を測定するパターンの寸法測定方法であって、前記第１の倍率で前記位置認識パターンの二次電子画像が表示されないとき、前記第１の倍率より低い第２の倍率で前記二次電子画像を表示するとともに、前記登録された位置認識パターンデータを第２の倍率に変換し、前記第２の倍率の二次電子画像と前記変換した第２の倍率の位置認識パターンデータとを比較することによって前記位置認識パターンの位置を認識するステップと、前記位置認識パターンの二次電子画像を前記観察領域の中央に移動させるステップと、前記移動させた位置認識パターンの二次電子画像を第１の倍率で表示するとともに、この第１の倍率の二次電子画像と前記登録された第１の倍率の位置認識パターンデータと比較して、新たに前記位置認識パターンの位置を認識するステップとを含むパターンの寸法測定方法。
前記第１の倍率は５０００倍以上１００００倍以下であり、前記第２の倍率は１０００倍以上５０００倍未満である請求項１または２記載のパターンの寸法測定方法。