JPH01101408A - パターンの測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はパターンの測定方法、特に半導体集積回路パタ
ーンの傾斜角゛、厚み、深さを測定するパターンの測定
方法に関する。

（従来の技術） 半導体集積回路の製造工程では、半導体基板上に形成さ
れた種々のパターンについて、傾斜角、厚み、深さを測
定する必要が生じる。このような微細パターンの測定を
行うための従来の方法として、主に次のような方法が知
られている。−（１）　　試料を襞間し、走査型電子顕
微鏡によって断面を観測する方法。

（２）　　試料に金を蒸着し、これに電子ビームを照射
し、この電子ビームについて対称に配された一対の二次
電子検出器をもつ走査型電子顕微鏡を用い、一対の検出
器で得られた信号の和および差を求める等の信号処理を
行う方法。

（３）　　リモートセンシングの分野で広く用いられて
いるステレオスコピイの原理を用い、異なる２つの方向
から観測した二次電子画像を画像処理し、両画像がマツ
チングするような処理を施した後、幾何学的関係式を用
いて測定を行う方法。

（発明が解決、しようとする問題点） （１）　　上述の（１）の方法では、試料を破壊してし
まうため、この試料はもはや後の工程では用いることが
できなくなってしまう。また、測定しうるパターンも男
開市に現れているパターンに限定され、任意のパターン
測定は困難である。更に、襞間位置がパターン中心から
ずれている場合にも正確な測定が困難になる。

（２）　　上述の（２）の方法でも、試料に金を蒸着し
てしまうため、この試料はもはや後の工程で用いること
ができない。また、２つの検出器を用いるため、この雨
検出器の出力を測定パターンごとに校正する作業が必要
になり、測定にかなりの熟練を必要とする。更に、パタ
ーンがサブミクロンのオーダになると、隣接するパター
ンどうしの干渉の影響を受け、精度良い測定が困難にな
る。

（３）　　上述の（３）の方法では、非破壊、非接触で
試料上の任意のパターンを測定できるという利点がある
。しかしながら、異なる２つの方向について、それぞれ
精度良い角度測定を行う必要があり、また、精度良い画
像マツチングを短時間の内に行わなくてはならないため
、高精度の測定が困難である。

そこで本発明は、非破壊、非接触で、高精度なパターン
ａＩ１１定を簡単に行うことのできるパターンの７１１
１１定方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、基準面に対して凹凸をなし、かつ、この基準
面に垂直に立てた対称面について互いに面対称となるよ
うな第１の側壁および第２の側壁を有するパターンの測
定方法において、基準面に対して所定角θをなす投影面
へのパターンの投影像を得て、 対称面と投影面との交線に直交し、かつ、投影面内に含
まれる直線である基準線を定義し、第１の側壁の投影像
の基準線方向の幅ｘ１と、第２の側壁の投影像の基準線
方向の幅ｘ２と、を求め、ｃｏｓ　　（φ＋θ）　／ｃ
ｏｓ　　（φ−θ）＝ｘｌ／ｘ２なる式を用いて、側壁
と基準面とのなす角φを求めるようにしたものである。

更に本発明では、側壁上の所定点ＰおよびＱについて、
それぞれ投影点Ｐ′およびＱ′を求め、投影点Ｐ′およ
びＱ′間の基準線に沿った隔たりｄを求め、 Ｈ＝ｄ・ｓｉｎφ／ｃｏｓ　　（φ＋θ）なる式を用い
て、所定点Ｐおよび０間の基準面に立てた法線方向に関
する隔たりＨを求めるようにしたものである。

（作　用） 本発明によれば、基準面に対して所定角θをなす投影面
へパターンを投影し、この投影像から得られるデータに
幾何学的演算を施して、角φおよび距離Ｈを求めること
ができる。したがって、試料を破壊することなく、試料
に接触することなく、測定が可能になる。パターンの投
影像は、たとえばパターンに所定方向から電子ビームを
照射し、発生した二次電子を観測することによって得ら
れる。

本発明に係る方法は、従来のステレオスコピイの原理を
用いた測定方法と異なり、２つの異なる投影面への投影
像を画像マツチングさせるような必要はなく、１つの投
影像を求めるだけで測定ができ、単純で迅速な測定が可
能になる。

本発明に係る方法は、基準面に対して凹凸をなし、かつ
、この基準面に垂直に立てた対称面について互いに面対
称となるような２つの側壁を有するパターンの測定を行
うようにしたものである。

パターンが対称性をもつということが、本発明の不可欠
な条件になる。この対称性を利用することにより、１つ
の投影像のみを用いて必要な１１−１定ができるように
なるのである。

（実施例） 以下本発明を図示する実施例に基づいて説明する。

本発明の基本原理 まず、本発明の基本原理を説明する。第１図はこの基本
原理を説明するための凸状パターンの断面図である。同
図（ａ）に示すように、基板１０の基準面１１上に凸状
部２０が形成されている。この凸状部２０の断面は、図
示のように台形ＡＢＣＤをしており、第１の側壁２１と
第２の側壁２２とを有する。本発明に係る方法によれば
、このような凸状部２０からなるパターンの側壁２１゜
２２の傾斜角φと、高さｈとを求めることができる。

第１図（ｂ）は同図（ａ）のパターンの拡大である。

基準面１１上に凸状パターンとしての台形ＡＢＣＤがの
っている。この台形ＡＢＣＤは図で基準面１１上に立て
た法線Ｎについて対称形である。したがって、第１の側
壁２１の長さ（すなわち辺ＡＢの長さ）Ｌと、第２の側
壁２２の長さ（すなわち辺ＣＤの長さ）Ｌとは等しい。

本発明に係る方法は、このような対称性を利用したもの
であるから、このような対称性のないパターンについて
は本発明に係る方法を適用することができない。

いま、ここで基準面１１に対して所定角θをなす投影面
１２を考え、この凸状部２０の投影面１２への投影像を
考える。この投影は、図の一点鎖線の矢印で示す方向（
法線Ｎに対して角度θだけ傾いた方向）にビームを照射
することによって得られる。たとえば、ビームとして電
子ビームを用いれば、この電子ビーム照射に基づいて発
生する二次電子を観測すれば、この方向への投影像が得
られる。光ビームを用いれば、凸状部２０からの反射光
を観ＤＩすればよい。

実際には三次元パターンである凸状部２０を二次元平面
である投影面１２に投影するわけであるが、ここでは説
明の便宜上、凸状部２０の断面に相当する台形ＡＢＣＤ
を投影面１２上の基準線１２′　（投影面１２はこの基
準線１２′に沿って紙面に垂直方向に立てた面となる。

なお、第１図（ｂ）では、投影面１２と基準線１２′と
は、同じ破線で示されている。）上に投影した一次元投
影像について説明する。このような投影によって、点Ａ
、Ｂ、Ｃ，Ｄは、それぞれ点Ａ／、１３／。

Ｃ’　、Ｄ’　に投影される（この図では点ＡとＡ′と
は同一点になる）。実際の投影面１２への二次元投影像
は第２図のようになる。ここでハツチングを施した部分
が、側壁２１．２２に相当する部分になる。電子ビーム
を用いてこの投影像を得た場合は、観測される二次電子
の強度分布という形で第２図のような投影像が得られる
。

第２図に示すような投影像が得られれば、点Ａ’　Ｂ’
間の距離ｘ１および点Ｃ’　Ｄ’間の距離Ｘ２を求める
ことができる。電子顕微鏡によって二次電子の観測を行
ったのであれば、実際には電子顕微鏡で得られる像に所
定の倍率を乗じることによつて実際の距離が求まるが、
以下の説明では各距離はこのような倍率を乗じて得られ
た実際の寸法を意味するものとする。ここで得られた距
離ｘ１．ｘ２は、結局、それぞれ第１の側壁２１゜第２
の側壁２２の投影像の基準線１２′方向の幅ということ
になる。いま、各側壁の実際の長さＬと、幅Ｘ　＋　、
Ｘ　２との幾何学的関係を考えると、第１の側壁２１に
関して、 Ｌｅｏｓ　　（φ＋θ）　＝ｘ　ｔ　　　　　　　　　
（１）第２の側壁２２に関して、 Ｌｃｏｓ　　（φ−θ）−Ｘ２　　　　　　　　（２）
が成立つ。式（１）　、　（２）から、ｃｏｓ　（φ＋
θ）／ｃｏｓ（φ−θ）＝ｘ／ｘ　　　　（３）が得ら
れる。ここでθは、たとえば電子ビームの照射角度とし
て既知であり、Ｘ　１１　　Ｘ　２は、第２図に示す投
影像から測定できるので、結局、式（３）によって側壁
の傾斜角φを求めることができる。以上が、傾斜角φの
測定手順である。

続いて、凸状部２０の高さｈの求め方を説明する。

第１の側壁２１に関して、 Ｌ　ｓｉｎφ−ｈ（４） Ｌｃｏｓ　（φ＋θ）ｌｌｌＩｘｌ（５）であるから、
両辺を割算して、 ｈ＝ｘ　　−５ｉｎφ／ｃｏｓ　　（φ＋θ）（６）を
得る。ここで、ｘｌ、θは既知であり、φは式（３）か
ら求まるので、結局、ｈが求まることになる。この例で
は、点Ｂの投影像Ｂ′と点Ａの投影像Ａ′との間の距離
Ｘ１を用いたため、台形ＡＢＣＤの高さｈが求まったこ
とになるが、第３図に示すように、一般に側壁上の任意
の２点Ｐ。

Ｑを定め、それぞれの投影点Ｐ’　、Ｑ’間の基準線１
２′に沿った隔たりｄを求めれば、点ＰＱ間の法ｆｉＮ
方向の隔たりＨを次式によって求めることができる。

Ｈ＝ｄ・ｓｉｎφ／ｃｏｓ　　（φ＋θ）（７）以上の
ようにして、傾斜角φと高さｈとの両方を求めることが
できる。なお、上述の実施例では、基板１０上の凸状部
２０をパターンとする測定について述べたが、基板１０
に掘られた凹状部をパターンとする測定も全く同様に行
うことができる。

この場合、ｈは高さでなく溝の深さを示すことになる。

いま、 ｃｏｓ　　（φ−θ）　／ｃｏｓ　　（φ＋θ）−８（
８）として感度Ｓを定義すると、感度Ｓが大きいほど、
ｘ２とＸｌの比が大きくなり精度良い測定結果が得られ
ることがわかる。この感度Ｓは式（８）に示すようにφ
とθとの関数である。θ−６″のときの感度Ｓと傾斜角
φとの関係を第４図のグラフに示す。このグラフに示す
とおり、θ−６°とすれば、傾斜角φが８０６近傍で非
常に良好な感度を示すことになる。一般に半導体集積回
路の半導体基板上のパターンの傾斜角φは８０″近傍の
ものが多い。すなわち、第４図のグラフは、半導体集積
回路のパターンに本発明を適用する場合には、θ−６″
程度、すなわち法線から６″程度傾いた方向から電子ビ
ーム照射を行うのが理想的であることを示している。

半導体集積回路パターンへの適用例 続いて本発明を、半導体集積回路パターンのａＰＩ定に
実際に適用した例を示す。第５図はθ−０″、第６図は
θ−６＠にしてそれぞれ半導体基板上の凸状パターン（
例えばレジスト層）に電子ビームを照射し、二次電子を
２万倍の電子顕微鏡で観測した実施例である。いずれも
、（ｂ）図に基準面１１上に形成された凸状部２０の断
面を示し、（ａ）図に得られた一次元投影像を示す。−
次元投影像は、第２図の基準線１２′　に沿って観測さ
れる二次電子強度分布を示す信号に相当するものである
。

第５図に示すように、θ−０、すなわち図の真上から電
子ビームを照射した場合、側壁２１．２２は左右対称で
あるから、得られる信号もほぼ左右対称となる。もっと
も、実際の測定値は、二′次電子検出器の位置によって
大きく影響されるため、完全な対称にはなっていない。

第５図（ａ）と（ｂ）との間に引かれた破線によって、
両図の対応関係が理解できよう。ビークＰ１．Ｐ２がそ
れぞれ側壁２１．２２の肩の部分に相当する。

さて、θ−６″として、第６図（ｂ）に示すように斜め
右上方から電子ビームを照射すると（これは電子ビーム
自身を傾けてもよいし、基板１０の方を傾けてもよい）
、同図（ａ）のように信号は左右対称にはならない。ピ
ークＰｉ、Ｐ２がそれぞれ側壁２１．２２の肩の部分に
相当するが、各ピーりの幅は異なる。理論的には第２図
に示したように、幅Ｘ１１Ｘ２を求めればよいのである
が、実際には第６図（ａ）に示すように信号はノイズを
含んだものとなるため、ビークＰ１．Ｐ２の幅をどこを
もって定義するか一該には言えない。そこでこの実施例
では、次のようにして幅Ｘ　１．Ｘ　２を定義している
。すなわち、両ピークの間の部分で信号が最小値ＭＩＮ
をとる点Ｍ１を求め、ピークＰ１の最大値ＭＡＸＩをと
る点Ｍ２と、ビークＰ２の最大値ＭＡＸ２をとる点Ｍ３
とを求める。

そして、ＭＩＮとＭＡＸＩとの中間値をとるスライスレ
ベルＳ１と、ＭＩＮとＭＡＸ２との中間値をとるスライ
スレベルＳ２とを定義し、このスライスレベルにおける
ピークの幅をそれぞれＸ　ｔ　＋Ｘ２として定義するの
である。このように中間値を用いると、ノイズの影舌が
少ない安定した幅値を得ることができる。スライスレベ
ルは中間値に限らず、たとえばＭＩＮとＭＡＸｌとの間
の６０％の位置、４０％の位置などに設定することも可
能である。このようにして得たＸ　１　＋　　Ｘ　２に
式（３）を適用して、側壁２１．２２の傾斜角φを求め
た結果、φ−７８．５’が得られ、同じ試料の断面写真
から求めた傾斜角７９．３”にかなり近い値となった。

一方、凸状部２０の高さ（膜厚）としては、図の点ＰＱ
間の上下方向の隔たりｈを用いた。したがって、式（７
）におけるｄとして第６図（ａ）に示す幅ｄを用いた。

なお、本実施例では、電子顕微鏡によって幅ｄを測定し
ているため、実際の幅ｄの値は電子顕微鏡による観測値
にその倍率を乗じたものになる。その結果、ｈ−１，４
１μｍが得られ、同じ試料の断面写真から求めた膜厚１
．４５μｍにかなり近い値となった。

以上、半導体基板上に形成された膜についてのテーパ角
φおよび膜厚りの測定についての実施例を示したが、半
導体基板内に掘られたトレンチ構造のテーパ角および深
さの測定についても同様に本発明を適用することができ
る。本発明は要するに対称性のある凹凸パターンであれ
ば、半導体集積回路に限らずどのようなパターンにも応
用が可能な技術である。

パターン投影像の処理方法 前述のように、半導体集積回路パターンの測定に本発明
に係る方法を適用する場合、電子顕微鏡を用い、電子ビ
ーム走査によって発生する二次電子を観測することによ
ってパターンの投影像を得ることになる。ところが、一
般に電子顕微鏡では種々のノイズが発生し、半導体集積
回路パターンのような微小パターンの観ｉ１Ｍでは、Ｓ
／Ｎ比が極めて低くなる。このため、電子顕微鏡によっ
て得られたパターン投影像をそのまま用いて本発明に係
る測定を行うと測定精度が非常に悪くなる。そこで、適
当な画像処理を行ってＳ／Ｎ比の高い投影像を得るのが
好ましい。卑下にこのような画像処理の一例を示す。こ
こに示す画像処理は単独でも画質向上を図ることができ
るが、（１）〜（３）の順に連続して行うようにするの
が好ましい。なお、この画像処理については、本願と同
日付の「画像形成方法」なる出願に係る明細書および図
面に述べられているので、詳細はこれを参照されたい。

（１）　　加算平均処理 この処理は、電子顕微、鏡による走査を複数回繰返して
行い、各走査によって得られた画像について、それぞれ
対応する位置にある画素の濃度値の平均を求め、この平
均濃度値をもった画素によつて新たな画像を形成する処
理である。

（２）　　空間フィルタ処理 この処理は、１つの画素の濃度値をその周辺画素の濃度
値に基づいて修正する処理である。修正対象となる画素
とその周辺画素とに、それぞれ電子顕微鏡の電子ビーム
の強度分布に比例した係数を割当て、各画素のもつ濃度
値と割当てられた係数とを乗じ、得られた積の合計に基
づいて修正対象となる画素の新たな濃度値を決定する。

このような修正処理をすべての画素について行えば、ノ
イズ成分の少ない画像を得ることができる。

（３）　　線形画像強調処理 この処理は、各画素のもつ濃度値が所定の範囲内に分布
するように、濃度値を線形変換する処理である。本発明
に係るパターン測定方法では、電子顕微鏡から得られた
画像データをデジタル処理するのが好ましい。したがっ
て、各画素濃度がこのデジタル処理系における許容デー
タ範囲いっばいに分布していると、高精度のデジタル演
算が期待できる。たとえば、各データが８ビツトで表さ
れる処理系で６５よ、画素濃度値の最小値が０、最大値
が２５５となる線形処理を施せばよい。

以上、３つの画像処理方法を示したが、これらの画像処
理はパターンの投影像を得るのに好ましい一実施例とし
て示したものであり、このような画像処理は本発明にと
って附随的なものにすぎない。

〔発明の効果〕

以上のとおり本発明によればパターンの測定方法におい
て、パターンの対称性を利用して、パターンの一方向へ
の投影像のみを用いて測定を行うようにしたため、非破
壊、非接触で、高精度なパターン測定方法を容易に行う
ことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本原理を説明するための凸状パター
ンの断面図、第２図は第１図に示す凸状パターンの二次
元投影像、第３図は第１図に示す凸状パターンの高さを
測定する原理を示す図、第４図は本発明の測定方法にお
ける測定感度を示すグラフ、第５図および第６図は本発
明に係る方法を半導体集積回路パターンに適用した実施
例を示す図である。 １０・・・基板、１１・・・基準面、１２・・・投影面
、１２′・・・基準線、２０・・・凸状部、２１・・・
第１の側壁、２２・・・第２の側壁。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 図面の浄書（内容に変更なし） （ｂ） 第１図 第２図 第３図　　　　　　第４図 第５図 第６図 手続補正書坊式） １、事件の表示 昭和６２年特許願第２５９２０７号 ２、発明の名称 パターンの測定方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 （３０７）　　株式会社東芝 ４、代　理　人　（郵便番号１００） 昭　和　６２年　１２月　２４日 （全送日　昭和６３年１月２６日） ６８　補正の対象 図面 ゛　、叫ノ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基準面に対して凹凸をなし、かつ、前記基準面に垂
   直に立てた対称面について互いに面対称となるような第
   １の側壁および第２の側壁を有するパターンの測定方法
   であって、前記基準面に対して所定角θをなす投影面へ
   の前記パターンの投影像を得て、前記対称面と前記投影
   面との交線に直交し、かつ、前記投影面内に含まれる直
   線である基準線を定義し、前記第１の側壁の投影像の前
   記基準線方向の幅ｘ＿１と、前記第２の側壁の投影像の
   前記基準線方向の幅ｘ＿２と、を求め、ｃｏｓ（φ＋θ
   ）／ｃｏｓ（φ−θ）＝ｘ＿１／ｘ＿２なる式を用いて
   、前記第１の側壁および前記第２の側壁と前記基準面と
   のなす角φを求めることを特徴とするパターンの測定方
   法。 ２、パターンの投影像を得るのに、基準面に立てた法線
   に対して角度θをなす方向から電子ビームを照射し、こ
   の電子ビームに基づいて前記パターンから放出される二
   次電子を観測することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のパターンの測定方法。 ３、二次電子の観測を複数回行い、これらの観測結果を
   加算平均することによりパターンの投影像を得て、この
   パターンの投影像を構成する各画素についてその濃度値
   をその周辺画素の濃度値に基づいて修正する処理を行い
   、更に各画素のもつ濃度値が所定の範囲内に分布するよ
   うに濃度値の線形変換を行って最終的なパターンの投影
   像を得ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   パターンの測定方法。 ４、投影像に関する二次電子強度を、基準線上の位置に
   対応させて抽出し、所定の二次電子強度値をスライスレ
   ベルとして設定し、第１の側壁および第２の側壁に対応
   する強度値の山の部分の前記スライスレベルに沿った幅
   をそれぞれ幅ｘ＿１および幅ｘ＿２とすることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項または第３項記載のパターン
   の測定方法。 ５、側壁近傍における二次電子強度の最大値と最小値と
   の中間値をスライスレベルとすることを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載のパターンの測定方法。 ６、基準面に対して凹凸をなし、かつ、前記基準面に垂
   直に立てた対称面について互いに面対称となるような第
   １の側壁および第２の側壁を有するパターンの測定方法
   であって、前記基準面に対して所定角θをなす投影面へ
   の前記パターンの投影像を得て、前記対称面と前記投影
   面との交線に直交し、かつ、前記投影面内に含まれる直
   線である基準線を定義し、前記第１の側壁の投影像の前
   記基準線方向の幅ｘ＿１と、前記第２の側壁の投影像の
   前記基準線方向の幅ｘ＿２と、を求め、ｃｏｓ（φ＋θ
   ）／ｃｏｓ（φ−θ）＝ｘ＿１／ｘ＿２なる式を用いて
   、前記第１の側壁および前記第２の側壁と前記基準面と
   のなす角φを求め、側壁上の所定点ＰおよびＱについて
   、それぞれ投影点Ｐ′およびＱ′を求め、投影点Ｐ′お
   よびＱ′間の基準線に沿った隔たりｄを求め、Ｈ＝ｄ・
   ｓｉｎφ／ｃｏｓ（φ＋θ）なる式を用いて、所定点Ｐ
   およびＱ間の前記基準面に立てた法線方向に関する隔た
   りＨを求めることを特徴とするパターンの測定方法。 ７、パターンの投影像を得るのに、基準面に立てた法線
   に対して角度θをなす方向から電子ビームを照射し、こ
   の電子ビームに基づいて前記パターンから放出される二
   次電子を観測することを特徴とする特許請求の範囲第６
   項記載のパターンの測定方法。 ８、二次電子の観測を複数回行い、これらの観測結果を
   加算平均することによりパターンの投影像を得て、この
   パターンの投影像を構成する各画素についてその濃度値
   をその周辺画素の濃度値に基づいて修正する処理を行い
   、更に各画素のもつ濃度値が所定の範囲内に分布するよ
   うに濃度値の線形変換を行って最終的なパターンの投影
   像を得ることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の
   パターンの測定方法。 ９、投影像に関する二次電子強度を、基準線上の位置に
   対応させて抽出し、所定の二次電子強度値をスライスレ
   ベルとして設定し、第１の側壁および第２の側壁に対応
   する強度値の山の部分の前記スライスレベルに沿った幅
   をそれぞれ幅ｘ＿１および幅ｘ＿２とすることを特徴と
   する特許請求の範囲第７項または第８項記載のパターン
   の測定方法。 １０、側壁近傍における二次電子強度の最大値と最小値
   との中間値を、スライスレベルとすることを特徴とする
   特許請求の範囲第９項記載のパターンの測定方法。 １１、所定点Ｐとして基準面上の点を定め、所定点Ｑと
   基準面との距離Ｈを求めることを特徴とする特許請求の
   範囲第６項乃至第１０項のいずれかに記載のパターンの
   測定方法。