JPH03289507A - パターン寸法測定方法及び装置 - 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） 本発明は電子ビームを用いたパターン寸法測定方法及び
装置に関するもので、特に、半導体装置に形成される微
細パターンの測定に使用されるものである。

（従来の技術） 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭともいう）を用いて半導体装
置の微細パターンの寸法を測定する従来の技術としては
、まず、第７図（ａ）に示す試料基板６１上のパターン
６３に、細く絞った電子ビーム６５を走査して第７図（
ｂ）に示すような２次電子信号波形を得る。次に、この
２次電子信号波形の極大値（ピーク値）と極小値を検出
し、この検出された極大値と極小値を用いて上記パター
ン６３の傾斜部６３ａに相当する部分を直線Ａで近似し
、更に試料基板６１に相当する部分を直線Ｂで近似する
。そして直線Ａと直線Ｂの交点Ｃをパターン６３のエツ
ジと定義し、このエツジ間の寸法をパターン６３の寸法
Ｗとして測定する。

（発明が解決しようとする課題） 一般に、試料基板６１の材料、パターン６３の材料、形
状、高さ、及びＳＥＭの観察条件によりパターン６３の
エツジからの２次電子信号が異なり、必ずしも第７図（
ｂ）に示すような波形が得られない。すなわち、（１）
極小値が存在しない波形、（２）極小値がエツジ近傍か
ら大きくずれた波形、（３）パターン部からの２次電子
信号が小さくて極大値と極小値の差が小さい波形、又は
（４）左右非対称な波形が得られることが多い。

したがって、従来の技術において、上記（１）のような
波形すなわち極小値が存在しない波形が得られた場合、
パターン６３の傾斜部６３ａからの２次電子信号と試料
基板部からの２次電子信号とが判別できないためにパタ
ーン寸法が測定できないか、測定できても誤差の大きな
ものとなる。又、上記（２）のような波形すなわち極小
値がエツジ近傍からずれている波形が得られた場合は、
パターン６３の傾斜部６．３　Ｈの近似直線Ａの傾きが
小さくなって実際のパターン６３のエツジよりも外側を
エツジとして検出するため測定されたパターン寸法Ｗは
実際の寸法よりも大きな値となる。上記（３）のような
波形すなわち極大値と極小値の差が小さい波形が得られ
た場合は、パターン６３の傾斜部６３ａからの２次電子
信号が小さく、又傾斜部を近似するデータ数が少ないた
め近似直線の傾きが不正確となり、測定されるパターン
寸法にバラツキが生じる。上記（４）のような波形すな
わち左右非対称な波形が得られた場合は、左右どちらか
のエツジが検出できないか、又は実Ｈのエツジとは違う
点を検出する可能性がある。

本発明は上記事情を考慮してなされたものであって、微
細パターンの寸法を精度良く測定することのできるパタ
ーン寸法測定方法および装置を提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 第１の発明は、走査型電子顕微鏡の偏向器を制御してス
テージ上に載置された試料のパターンに電子ビームを照
射し、パターンからの２次電子信号を画像処理し、この
画像処理された信号に基づいてパターンのパターン寸法
を測定するパターン寸法測定方法において、画像処理さ
れた信号波形の２つのピーク点を検出する第１のステッ
プと、これらのピーク点の画素から外側の隣接画素間の
信号波形の強度の変化を各ピーク点より順次演算し、強
度の変化が所定値よりも小さくなる最初の画素を各ピー
ク点に対応して求める第２のステップと、各ピーク点の
画素から第２のステップによって求められた画素までの
各画素の信号波形の強度に基づいて最小２乗法を用いて
パターンの傾斜部に相当する回帰直線を各ピーク点に対
して求める第３のステップと、この求められた回帰直線
と信号波形との最外側の交点を求め、この交点から外側
の信号波形データに基づいて試料の基板部に相当する曲
線を求める第４のステップと、この曲線と回帰直線との
交点を各ピーク点に対して求め、この交点をパターンの
ボトムエツジとしてボトムエツジ間の画素数に基づいて
パターン寸法を演算する第５のステップとを備えたこと
を特徴とする。

第２の発明は、走査型電子顕微鏡の偏向器を制御してス
テージ上に載置された試料のパターンに電子ビームを照
射し、パターンからの２次電子信号を画像処理し、この
画像処理された信号に基づいてパターンのパターン寸法
を測定するパターン寸法測定装置において画像処理され
た信号波形の２つのピーク点を検出する第１の手段と、
これらのピーク点の画素から外側の隣接画素間の信号波
形の強度の変化を各ピーク点より順次演算し、強度の変
化が所定値よりも小さくなる最初の画素を各ピーク点に
対応して求める第２の手段と、各ピーク点の画素から対
応する画素までの各画素の信号波形の強度に基づいて最
小２乗法を用いてパターンの傾斜部に相当する回帰直線
を各ピーク点に対して求める第３の手段と、この求めら
れた回帰直線と信号波形との最外側の交点を求め、この
交点から外側の信号波形データに基づいて試料の基板部
に相当する曲線を求める第４の手段と、この曲線と回帰
直線との交点を各ピーク点に対して求め、この交点をパ
ターンのボトムエツジとしてボトムエツジ間の画素数に
基づいてパターン１法を演算する第５の手段とを備えた
ことを特徴とする。

（作　用） このように構成された第１の発明のパターン寸法測定方
法によれば、信号波形の極小値を検出することなしに、
パターンのボトムエツジを検出することが可能となり、
これにより微細パターンの寸法を精度良く測定すること
ができる。

又、上述のように構成された第２の発明のパターン寸法
測定装置によれば、信号波形の極小値を検出することな
しにパターンのボトムエツジを検出することが可能とな
りこれにより微細パターンの寸法を精度良く測定するこ
とができる。

（実施例） 本発明によるパターン寸法測定装置の一実施例の構成を
第１図に示す。この実施例のパターン寸法測定装置は、
走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭともいう）１と、画像
処理手段２と、計算機３と画像モニタ４を備えている。

又、ＳＥＭＩは鏡筒１　ａ　ｓ偏向器１ｂ、検出器１ｃ
、及びステージ１ｄを有している。

次に第３図（ａ）に示すパターン１３を測定する場合を
例にとって本実施例の構成と作用を第２図乃至第６図を
参照して説明する。

先ず、試料１０をステージ１ｄ上に載置する（第２図ス
テップＦ２１参照）。測長倍率Ｍを設定した後画像処理
手段２からＳＥＭＩの偏向制御信号を偏向器１ｂに送り
、電子ビームを偏向器１ｂによって走査する（第２図ス
テップＦ２２Ａ参照）。すると、この走査された電子ビ
ームがステージ１ｄ上に裁置された試料１ｏに当り、試
料１０から２次電子が放出される。そしてこの２次電子
が検出器１ｃによって検出される。検出器１ｃの検出出
力（２次電子信号）は画像処理手段２に送られて所定の
サンプリングタイムでＡ／Ｄ変換された後（第２図ステ
ップＦ２２Ｂ参照）、加算平均処理、空間フィルタリン
グ処理、及び線形画像強調処理が行われ、この処理結果
が画像処理手段２の２５６階調のフレームメモリに格納
されるとともに信号波形が画像モニタ４に表示される（
第２図ステップＦ２２Ｃ参照）。なお、上述のステップ
Ｆ２２ＡからステップＦ２２Ｃまでの処理を画像データ
入力処理という。このようにして得られた信号波形（第
３図（ｂ）参照）からパターン１３のトップエツジに相
当する２つのピーク点ＰＯＬ”ＯＲを計算機２において
求める（ステップＦ２Ｂ参照）。なお、第３図（ｂ）に
おいて横軸は画素を示し、縦軸は信号波形の強度（信号
強度ともいう）を示している。

次に、これらのピーク点ＰＰ　　の画素ＸＯＬ’ＯＬ’
　　　０Ｒ ＸｏＲから外側の隣接画素Ｘ１−１．Ｉｉ間の信号強度
の変化△！ｉ””１−Ｉｉ−１を各ピーク点より計算機
２において順次演算しく第４図参照）、この変化△■、
が所定値△Ｉ　よりも小さくなる最１　　　　　　　　
　　　　　　ｅ 初の画素ＸＮｏを各ピーク点の画素に対して求める（第
２図のステップＦ２４及び第５図参照）。なお、第４図
及び第５図は、左側のピーク点Ｐ。Ｌに対してのみ示し
ているが、右側のピーク点ＰｏＲに対しても同様にして
求める。

その後、各ピーク点の画素Ｘ。Ｌ’　ＸＯＲから対応す
る画素Ｘ　までの各画素Ｘｌの信号強度１．にＣ 基づいて最小２乗法を用いてパターン１３の傾斜部１３
ａに相当する回帰直線ｊｌｌＡを各ピーク点に対して計
算機２によって求める（第２図ステップＦ２５及び第５
図参照）。そして、この求められた回帰直線りと信号波
形との最外側の交点を求め、この交点から外側の信号波
形データに基づいて試料基板部１１に相当する曲線（１
次又は２次の関数で近似する）ｐＢを計算機２によって
求める（第２図ステップＦ２６及び第５図参照）。次に
、回帰直線ｇ　と曲線ｐＢとの交点Ｐ。を計算入 機２によって各ピーク点に対して求め（第５図参照）、
この交点をパターン１３のボトムエツジとしてボトムエ
ツジ間の画素数に基づいてパターン寸法Ｗを演算する（
第２図ステップＦ２７参照）。

すなわち、ピーク点Ｐ。Ｉ７側の交点Ｐ。の画素をＸ　
とし、ピーク点Ｐ　側の交点Ｐ。の画素をＣＬ　　　　
　　　　　　　　　０Ｒ ＸｏＲとすると（第６図参照）、パターン寸法Ｗは次式
を用いて演算される。

Ｗ′″に°（ＸｃＲ−Ｘｃｌ、） ここでＫは１画素当りのχ」法値を示す。

以上説明したように、本実施例のパターン寸法測定装置
は従来のものと異なり、極小値を検出することなしにパ
ターン１３のボトムエツジを検出することができるため
、極小値が存在しないかもしくはエツジ近傍から大きく
ずれた信号波形に対しても正確にエツジを検出できる。

これにより微細パターンの寸法を精度良く測定すること
ができる。

なお、コントラストの強弱やパターン傾斜部からの２次
電子信号の信号強度の大小によるエツジ検出のバラツキ
をなくすためにデータ波形Ｆ　（Ｘ）の規格化を予め行
なっても良い。この場合、例えばデータ波形Ｆ　（Ｘ）
の最大値及び最小値を各々ＩＮＡＸ及びＩＭＩＮとする
と、規格化されたデータ波形Ｎ　（Ｘ）は次式より求め
られる。

これにより種々の信号強度の波形でも常に振幅が２５５
となる信号波形に規格化される。規格化されたデータ波
形Ｎ　（Ｘ）に対して上述の実施例と同様の処理を実行
する。またパターン傾斜部近傍の２次電子信号波形が左
右非対称な場合は、２つのピーク点Ｐ。Ｌ”ＯＲの中点
を境にして信号波形Ｆ　（Ｘ）を左側（Ｌ）領域と右側
（Ｒ）領域に分け、この分けられた各々について波形の
規格化を行えば良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、微細パターンの寸法を精度良く測定す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパターン寸法測定装置の一実施例
の構成を示すブロック図、第２図は実施例の作用を説明
するフローチャート、第３図乃至第６図は実施例の作用
を説明する説明図、第７図は従来のパターン寸法測定方
法を説明する説明図である。 １・・・ＳＥＭ、１ａ・・・鏡筒、１ｂ・・・偏向器、
１Ｃ・・・検出器、 １ｄ・・・ステージ、 ２・・・画像処理手 段、 ３・・・計算機、 ４・・・モニタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、走査型電子顕微鏡の偏向器を制御してステージ上に
   載置された試料のパターンに電子ビームを照射し、前記
   パターンからの２次電子信号を画像処理し、この画像処
   理された信号に基づいて前記パターンのパターン寸法を
   測定するパターン寸法測定方法において、 画像処理された信号波形の２つのピーク点を検出する第
   １のステップと、これらのピーク点の画素から外側の隣
   接画素間の信号波形の強度の変化を各ピーク点より順次
   演算し、前記強度の変化が所定値よりも小さくなる最初
   の画素を各ピーク点に対応して求める第２のステップと
   、各ピーク点の画素から第２のステップによって求めら
   れた画素までの各画素の信号波形の強度に基づいて最小
   ２乗法を用いて前記パターンの傾斜部に相当する回帰直
   線を各ピーク点に対して求める第３のステップと、この
   求められた回帰直線と前記信号波形との最外側の交点を
   求め、この交点から外側の信号波形データに基づいて前
   記試料の基板部に相当する曲線を求める第４のステップ
   と、この曲線と前記回帰直線との交点を各ピーク点に対
   して求め、この交点を前記パターンのボトムエッジとし
   てボトムエッジ間の画素数に基づいてパターン寸法を演
   算する第５のステップとを備えたことを特徴とするパタ
   ーン寸法測定方法。 ２、走査型電子顕微鏡の偏向器を制御してステージ上に
   載置された試料のパターンに電子ビームを照射し、前記
   パターンからの２次電子信号を画像処理し、この画像処
   理された信号に基づいて前記パターンのパターン寸法を
   測定するパターン寸法測定装置において、 画像処理された信号波形の２つのピーク点を検出する第
   １の手段と、これらのピーク点の画素から外側の隣接画
   素間の信号波形の強度の変化を各ピーク点より順次演算
   し、前記強度の変化が所定値よりも小さくなる最初の画
   素を各ピーク点に対応して求める第２の手段と、各ピー
   ク点の画素から第２の手段によって求められた画素まで
   の各画素の信号波形の強度に基づいて最小２乗法を用い
   て前記パターンの傾斜部に相当する回帰直線を各ピーク
   点に対して求める第３の手段と、この求められた回帰直
   線と前記信号波形との最外側の交点を求め、この交点か
   ら外側の信号波形データに基づいて前記試料の基板部に
   相当する曲線を求める第４の手段と、この曲線と前記回
   帰直線との交点を各ピーク点に対して求め、この交点を
   前記パターンのボトムエッジとしてボトムエッジ間の画
   素数に基づいてパターン寸法を演算する第５の手段とを
   備えたことを特徴とするパターン寸法測定装置。