JP2521964B2 - 電子顕微鏡の測長方法 - Google Patents

電子顕微鏡の測長方法

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JP2521964B2 JP62170724A JP17072487A JP2521964B2 JP 2521964 B2 JP2521964 B2 JP 2521964B2 JP 62170724 A JP62170724 A JP 62170724A JP 17072487 A JP17072487 A JP 17072487A JP 2521964 B2 JP2521964 B2 JP 2521964B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は主に、ICウェハ上に露光したパターンの寸法
を高精度に測長するための測長用電子顕微鏡に関するも
のである。
〔従来の技術〕
半導体製造上に於て、パターン露光はウェハ上に何層
にもわたって行なわれ、良質な半導体を製造するために
は、この各層間のパターンずれが重要なファクターの1
つとなっている。
従って、これら別の層のパターン間のずれ量を高精度
に測定することは、半導体が微細になるにつれ、ますま
す重要になり、要求精度もますます高くなってきてい
る。
この層間のパターンずれの代表的な測定法を第3図を
用いて説明する。第3図において、パターン1は第n層
目のパターンとして露光されたパターンであり、パター
ン2は第n+1層目のパターンとして露光されたパター
ンとする。
これら2つのパターンの中心間のX方向のずれ量σ
は、第3図に於る各エッジ間の距離δ、δ、δ
用いると と表わされる。Y方向のずれ量も同様の手順で求められ
る。したがって、δ〜δをXY両方向で測定すればパ
ターンの中心間のずれ量を測定することができる。
これらの距離δ、δ、δ等の測定は、従来の測
長用電子顕微鏡に於ては、以下に示す2つの方法によっ
ていた。
まず、第1の方法は、第3図に示すパターン上で電子
ビームを2次元走査し、それによって検出される2次電
子或いは反射電子信号を2次元フレームメモリに取りこ
んだ画像を使用する。この時、電子顕微鏡の倍率は、パ
ターン1、2がすべてフレームメモリ内におさまる様な
倍率に設定する。こうして得られた画像からパターンエ
ッジの座標を検出すれば、パターンずれ量を測定するこ
とができる。
次に、第4図により、第2の方法について説明する。
まず、試料台を移動させ、電子顕微鏡の倍率を設定す
ることにより、第4図に於ける視野1の画像をフレーム
メモリに取りこむ。さらに、視野1内のパターンエッジ
を示す座標値を検出し、この時のステージ位置、エッジ
座標を記憶する。次に、試料台を移動させ、同様に視野
2の画像を取り込み、ステージ位置、エッジ座標を記憶
する。この様にすべて(視野1〜視野4)のパターンエ
ッジのステージ位置、エッジ座標を検出すれば、δ
δ、δを正確に計算することができ、すなわちパタ
ーンずれ量を測定することができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記の如き従来の技術に於ては、以下に示す様な問題
点があった。
まず、上記第1の方法による装置では、この様なパタ
ーンずれの測定においては測定対象パターンの大きさは
通常数+μmであり、この領域が一枚のフレームメモリ
に取りこまれる倍率で行なうため、測定精度があまり良
くない。例えば、パターンの大きさを40μm、フレーム
メモリの視野を50μm、フレームメモリの画素数を512
×512とした場合には、測定分解能は約0.1μmである
が、電子顕微鏡の光学系には歪が生じるので、実際の精
度はさらに悪くなるという問題点があった。また、精度
を上げるためには、まずフレームメモリを構成する画素
数を増加させ、さらに電子顕微鏡の光学系の歪を補正す
ることが必要である。そのためには制御回路が大規模か
つ複雑になるという問題点があった。
次に上記第2の方法による装置では、フレームメモリ
の視野を非常に小さくできるので、電子顕微鏡の歪も小
さく、フレームメモリの分解能も小さくできるので、パ
ターンのエッジ座標は非常に高精度で測定することがで
きる。また、試料台の位置をレーザ干渉計等を用いて測
定すれば、パターンずれ量の測定は非常に高精度にする
ことができる。但し、XYのずれ量をそれぞれ測定する必
要があるため、試料台を小きざみに何度も移動させなけ
ればならない。このため、上記第2の方法による装置で
は、測定に要する時間が非常に長くなるという問題点が
あった。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点の解決の為に本発明では、以下の様な構成
とした。
(1).各パターンエッジ画像をフレーメメモリに取り
こむさいの視野倍率は充分大きくし、エッジ座標の測定
精度は充分高くする。
(2).各パターンエッジ画像間の視野移動は試料台を
移動させるのではなく、電気的な視野移動手段による。
すなわち、電子ビームを偏向するための偏向電圧に、適
当な直流成分を加算できる様な構成をとることにし、こ
の直流成分の値と視野移動距離を対応づける。
(3).前記(1).(2)で得られた各エッジ座標、
視野移動距離を記憶しておき、すべてのエッジの測定
後、パターンずれ量を測定する。
(4).前記(2)に於ける直流成分の値と視野移動距
離の対応付けはあらかじめ測長前に行なっておく。例え
ば、レーザ干渉計等により較正を行えば、電気的な視野
移動を非常に高精度に行なうことができる。
〔作用〕
このように、本発明に於ては、あらかじめ較正された
電気的視野移動手段を高倍率でのフレームメモリへの画
像取りこみによる高精度エッジ座標検出を併用すること
により、各パターンエッジの座標を求め、それらの演算
により、パターン間のずれ量とを求める。
このように、本発明では、あらかじめ較正された電気
的視野移動手段と高倍率でのエッジ座標検出を併用する
ので、測定は非常に高精度になる。また、測定中に試料
台の移動を行なう必要がないので拘束の測定を行なうこ
とができる。
〔実施例〕
第1図は本発明の一実施例であり、以下第1図に従っ
て装置構成と動作に関して説明する。
第1図に於いて、1は電子銃を示し、図に示さない高
圧電源により制御される。電子銃1から得られる電子ビ
ームは偏向器2により2次元(XY方向)に走査され、さ
らに対物レンズ3により焦点合せを行い、試料台6に載
置された試料5上に集束された電子ビームを照射する。
試料5に照射された電子ビームにより発生する2次電子
或いは反射電子は、2次電子検出器4により検出され、
さらに2次電子増幅器9により増幅され、2次元のフレ
ームメモリ10に取りこまれる。また、このフレームメモ
リ10の内容はCRTディスプレイ11上に表示することがで
きる。
また、偏向器2は偏向電圧発生器7により、様々な倍
率(走査領域)で走査でき、さらに走査電圧にCPUによ
り設定可能な直流成分を加算できる構成とすることによ
り、視野の移動(走査領域のステップ移動)が可能とな
っている。
さらに対物レズ3は、対物レンズ励磁電流源8により
制御され、試料台6は、試料台移動装置12により任意の
位置に移動させることができる。また、13は、レーザ干
渉計を示し、試料台6の位置を高精度にモニターするこ
とができる。
また、上記偏向電圧発生器7のさらに詳細な構成を第
2図に示す。第2図に於て、7aは偏向制御装置、7bはX
偏向電圧発生器、7cはY偏向電圧発生器、7d、7eは加算
器、7fは偏向器ドライバを示す。偏向制御装置7aは、電
子ビームの試料上に於ける走査倍率や走査速度の設定を
行ない、XY偏向電圧発生器7b、7cは、定められた走査倍
率、走査速度に対応して電子ビーム走査用ののこぎり波
を発生する。さらに、加算器7d、7eはXY偏向電圧発生器
によるのこぎり波にCPU14で任意に設定可能なオフセッ
ト値を加算することにより、試料上の電子ビーム走査位
置を適当な量だけシフトすることが可能となっている。
次に、第4図・第5図を用いて、パターン相互間のず
れ量の測定動作に関して説明する。なお、説明はX方向
についてのみ行なうが、Y方向についてもまったく同様
である。
まず、オペレータは、CPU14を通して試料台移動装置1
2により、試料台6を移動させ、第2図における加算器7
d、7eのオフセット入力を0とした状態で、電子顕微鏡
の視野が第4図における視野1と視野4のほぼ中央にな
る様にする。さらに、この状態で電子顕微鏡の倍率を操
作して、第4図におけるパターン1とパターン2が同一
視野内に表示されるようにする。さらに、この時の試料
台6の位置座標を(Xst、Yst)とする。
この様なオペレータの操作により選択されたパターン
に対して、以後の操作はすべてCPU14により第5図のフ
ローチャートに従い、自動的に実行される。
まず、CPU14はオペレータにより設定された条件、す
なわち試料台6の位置座標(Xst、Yst)、電子顕微鏡の
倍率を読みこむ(ステップ50)。
次に、この状態でフレームメモリ10に画像を読みこむ
(ステップ51)。さらに、CPU14はこの画像から、パタ
ーン1、2に関してそれぞれX方向のエッジ位置を検出
する(ステップ52)。この検出されたエッジ位置を左側
から順にXLe1、XLe2、XLe3、XLe4とし、CPU14に記憶す
る(ステップ52)。
次に、左端のパターンエッジの座標を正確に求める。
まず、検出されだエッジ位置XLe1により、CPU14は、左
端のパターンに電子顕微鏡の視野中心がほぼ一致するよ
うに、第2図の加算器7dのオフセット入力に与えるべき
電圧値を計算し、記憶する。この電圧値をVLe1とする。
次に、この電圧VLe1を加算器7dに与え(ステップ53)、
電子顕微鏡の倍率を高倍にし(ステップ54)、フレーム
メモリ10に画像を読みこむ(ステップ55)。次にCPU14
は、フレームメモリ10からこの画像を読み出し、エッジ
位置座標Xe1を検出し、記憶する(ステップ56)。
この様なシーケンスで得られた左端のパターンエッジ
の位置座標は、 X1=Xst+f(VLe1)+Xe1 ……(1) で示される(ステップ57)。
同様の手順で他の3つのエッジの位置座標は求めら
れ、それぞれ以下の式で表わされる(ステップ53〜57の
繰り返し)。
X2=Xst+f(VLe2)+Xe2 ……(2) X3=Xst+f(VLe3)+Xe3 ……(3) X4=Xst+f(VLe4)+Xe4 ……(4) CPU14は、(1)〜(4)式の結果をもとに、パター
ン1とパターン2の中心位置のずれ量Δxを以下の式に
より計算する(ステップ58)。
Y方向のずれ量Δy関してもまったく同様の手順によ
り求めることができる。
この様にして求められるパターン間のずれ量の検出精
度は(1)〜(4)式に於いて、fX(VLe1)〜f
X(VLe4)、Xe1〜Xe4の検出精度による。このうち、Xe1
〜Xe4に関しては、電子顕微鏡の倍率を上げれば上げる
ほど検出精度が上がるので、適当な倍率に設定すればよ
い。
また、偏向器に与えるオフセット電圧と視野移動量の
関係fX(VL)或いはfy(VL)に関しては、電子光学系の
歪等により、完全にリニアな関係とならないため、較正
する必要がある。この較正は、前記測定前に行なう必要
があり、例えば、以下に示す手順で行えばよい。
(1).X偏向電圧に与えるオフセット量を0にして、適
当なパターンエッジ(例えばパターン1の左端のエッ
ジ)が視野内に含まれる様に試料台6を移動し、この時
の試料台位置座標をレーザ干渉計13により求める。ま
た、視野内エッジ座標をCPU14により求める。
(2).試料台6を適当な量だけ移動し、この時の試料
台位置座標を求める。また、X偏向電圧に試料台6の移
動量を逆方向に補正する様なオフセット量を与え、この
時の視野内エッジ座標を求める。
ここで求められた、試料台位置座標と視野内エッジ座
標を(1)で求められた量と比較演算することにより、
与えたオフセット量と視野移動量の関係を高精度に求め
る。
この手順を数種類のオフセット量に対応させて行な
い、多項式近似等を行なうことにより、電気的なオフセ
ット量と視野移動量の関係を正確かつ高精度に求めるこ
とができる。このようにして求められた関係はCPU14内
に記憶しておき、前記パターンずれ量の測定に使用す
る。
〔発明の効果〕
以上の様に本発明によれば、パターンのずれ量を測定
するさいに、高倍率によるエッジ座標の検出と正確に較
正された電気的な視野移動を利用しているため、測定時
間が短く、さらに高精度の測定ができるという利点があ
る。
更に、本発明は、パターンのずれ量測定ばかりではな
く、大きなパターンの幅等を非常に高精度に測定したい
場合には関たに適用できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による装置の実施例の構成を示す図、第
2図は第1図の偏向電圧発生装置7をさらに詳細に示す
図、第3図は本発明で対象とするパターンの一例を示す
図、第4図はパターンのずれ量を測定する方法を説明す
る図、第5図はCPU14のフローチャートである。 〔主要部分の符号の説明〕 1……電子銃 2……偏向器 3……対物レンズ 4……2次電子検出器 5……試料 6……試料台 7……偏向電圧発生装置 8……対物レンズ励磁電流源 9……2次電子増幅器 10……フレームメモリ 11……CRTディスプレイ 12……試料台移動装置 13……レーザ干渉計 14……CPU 7a……偏向制御装置 7b……X偏向電圧発生器 7c……Y偏向電圧発生器 7d、7e……加算器 7f……偏向器ドライバ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料台上の第1パターンと第2パターンと
    を同一視野で観察できるような第1倍率を設定するステ
    ップと、 偏向器を含む電子光学系により、前記第1倍率で前記第
    1パターンと前記第2パターンとに電子線を走査するス
    テップと、 前記試料台の位置を記憶するステップと、 前記電子線の走査により前記第1パターンと前記第2パ
    ターンとから発生する情報に基づいて、前記第1パター
    ンと前記第2パターンとの画像データを記憶するステッ
    プと、 前記画像データに基づいて、前記第1パターンと前記第
    2パターンとのそれぞれのエッジを検出するステップ
    と、 前記偏向器の偏向量を制御して前記それぞれのエッジを
    順次前記電子光学系の視野中心に移動して、前記第1倍
    率より大きな第2倍率で前記それぞれのエッジの画像デ
    ータを記憶するステップと、 前記第2倍率で検出したそれぞれのエッジと、前記試料
    台の位置と、前記偏向量とに基づいて、前記第1パター
    ンと前記第2パターンとを測長するステップとを含むこ
    とを特徴とする電子顕微鏡の測長方法。
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JPS6288907U (ja) * 1985-11-22 1987-06-06
JPH0516491Y2 (ja) * 1986-01-16 1993-04-30

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