JPH0372923B2

JPH0372923B2 -

Info

Publication number: JPH0372923B2
Application number: JP6358183A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Hamada; Tomohiro Kuni; Kazushi Yoshimura; Takashi Shigemura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-04-13
Filing date: 1983-04-13
Publication date: 1991-11-20
Also published as: JPS59190610A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は半導体素子等に描かれる微細パターン
の寸法を走査電子顕微鏡（以下SEMと略す）を
用いて自動的に測定する寸法測定装置に関するも
のである。

〔発明の背景〕従来よりSEMを用いてパターン幅を測定する
には、SEMのCRTの面上に２次元のパターン像
あるいは１次元に走査したときのSEM検出信号
波形を表示し、人間が目視によりCRT上に電気
的に上記パターン像あるいは波形と重ね合せて表
示した２つのカーソルの位置をポテンシヨメータ
等を用いて動かし、パターンエツジ位置に合せ、
ポテンシヨメータの指示値より２つのカーソル間
の距離を換算する方法が用いられていた。しか
し、このような方法では、人間が目視でカーソル
を合せるので、個人差にもとづく誤差が生じやす
いという欠点があつた。

また、SEMは加速した電子ビームを走査しな
がら試料へ照射し、試料より発生する２次電子、
反射電子等を検出器で促え、画像を得るものであ
る。半導体素子等のパターンはSi，SiO₂などの
絶縁物上に形成されているので、電子ビームを長
時間照射すると、試料表面に電子が帯電する、い
わゆるチヤージアツプ現象が発生し、帯電した電
子により電子ビームが曲げられ、画像に歪みが発
生し、精度よい寸法測定が不可能になる。また、
電子ビームはコンタミネーシヨン（試料表面への
カーボン付着）等のダメージを試料へ与える欠点
がある。この欠点を逆に利用したのが、電子ビー
ム露光装置である。SEMを用いた寸法測定装置
で寸法を測定した試料は、再び生産ラインに戻さ
れ製品となるので、試料がダメージを受け、以後
の生産ラインに戻せないのでは、この装置は用い
ることはできない。しかし、上記した従来技術で
はSEMで画像を得るためには、CRTを用い、測
定すべきパターンを探し出したり、焦点合せをし
たり、カーソルの位置合せをしたりするため、電
子ビームを長時間照射する必要があり、チヤージ
アツプ、試料のダメージを防止することが困難で
あつた。

また、SEMでは第１図ａに示すような断面形
状を有するパターンを電子ビームが走査すると第
１図ｂのような検出信号が得られ、検出信号の極
大、極小を検出すれば、パターンの稜線位置を求
めることができる。しかし、一般にSEM検出信
号はＳ／Ｎが悪く、自動的に極値検出は困難であ
り、上記した従来技術においてもカーソルの位置
合せは困難となる。

〔発明の目的〕本発明の目的は上記した従来技術の欠点をなく
したSEMを用いた寸法測定装置を提供するにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は試料への電子ビーム照射をできるかぎ
り少なくするため、寸法測定に必要なSEM検出
信号を得るとき以外、電子ビームを試料へ照射し
ないことを特徴とする寸法測定の方法および装置
である。寸法測定に必要なSEM検出信号を得る
とき以外、電子ビームを試料に照射しないこと
は、測定すべき位置の探索、あるいはSEMの焦
点合せなどをSEMで対象となる試料を見て行な
うことができないことを意味する。「そこで本発
明ではSEMの試料室内を外部より見ることので
きる光学顕微鏡を設け、試料全面の任意の位置を
光学顕微鏡視野下およびSEM視野下に位置決め
できる試料ステージおよび試料ステージの位置座
標を検出する手段を設ける。そして試料の寸法を
測定すべき位置の探索には光学顕微鏡の視野中心
にその位置が合うよう試料ステージを移動させ、
位置が合つたときの試料ステージの位置座標と既
知である光学顕微鏡視野中心とSEM視野中心間
の距離にもとづき、試料の寸法を測定すべき位置
がSEM視野中心にあるときの試料ステージの位
置を算出し、その位置に試料ステージを移動させ
ることにより行ない、SEMを用いた（電子ビー
ムを試料に照射した）測定位置の探索は行なわな
い。」また、「SEMの焦点合せは、光学顕微鏡の
光軸方向の位置を検出する手段と、上記の測定位
置探索時の合焦点におけるその光軸方向の位置に
もとづき、SEMの対物レンズのコイル電流を制
御して行なう。」「また、SEM検出信号よりパタ
ーンエツジ位置を検出するには、前もつてパター
ンエツジで得られるSEM検出信号を理論的に求
めておき、このモデル波形と得られたSEM検出
信号を比較することにより行なう。」SEM検出信
号は試料の材質、形状、SEMの加速電圧、電子
ビーム径等により決まる。そこで、本発明ではこ
れらの情報を入力することにより、モデル波形を
創成できるようにする。また、得られたSEM検
出信号とモデル波形の比較において、一致の割合
が悪い場合には、モデル波形が適当でないとし
て、モデル波形を変更する機能も有している。

〔発明の実施例〕本発明の一実施例を以下に説明する。第２図は
SEMの原理を示したものである。陰極１を出た
電子は陽極２により加速され、電子レンズ３，４
を通つて試料５に焦点を結ぶ。電子レンズは５ａ
表面における電子ビームの直径が小さくなるよう
に配置されており、電子ビームの直径を小さくす
ることによりSEM像を鮮明にする。３はコンデ
ンサレンズ、４は対物レンズと呼ばれる。試料の
高さがバラツクとき、その焦点合せには４のコイ
ルに流れる電流を変えて行なう。６は偏向コイル
であり、電子ビームを５の表面上で走査するため
にある。５に電子が照射されると、５の表面から
は５の組成、形状等に依存する２次電子、反射電
子が発生し、それらを検出器７により検出する。
７の出力は増幅器８を介し、CRT９の輝度変調
電極へ供給される。一方、１０は走査回路であ
り、１０の出力は６および１１の偏向コイルへ供
給され、SEMの電子ビームの走査と同期し、７
で得られる検出信号が９へ表示される。一般の
SEMは第２図に示すようになるが、常時電子ビ
ームを試料に照射するので、本発明では別の走査
回路を用意する。そして、８で得られる検出信号
を処理することにより、パターンの寸法測定を行
なう。

第３図に本発明の全体構成を示す。第３図にお
いて１１はSEMであり、１２は本例における全
体の制御を行なう制御装置であり、コンピユータ
等で構成される。１３は対物レンズ４のコイル電
流を検出する電流検出装置であり、Ａ／Ｄ変換器
等で構成され、検出した電流値は制御装置１２へ
入力することができる。１４は対物レンズ４のコ
イル電流を制御する電流制御装置であり、Ｄ／Ａ
変換器等で構成され、制御装置１２から出力され
る情報にもとづき、対物レンズ４のコイル電流を
制御する。１５は偏向コイル６へ電流を流し、電
子ビームを走査するための偏向信号発生装置であ
り、制御装置１２から出力される信号にもとづ
き、電流をSEM１１の偏向コイル６へ供給する。
１６はSEMの検出信号を入力するための映像入
力部であり、AD変換器およびメモリ等で構成さ
れ、AD変換のタイミングは１５より入力する。
１７は１６で得られたSEM信号と、理論式より
求めたパターンエツジにおけるSEM信号波形
（モデル波形と呼ぶ）を比較し、パターンエツジ
位置を検出するエツジ検出部である。１８はエツ
ジ検出部へ入力すべき理論式より求めたモデル波
形より求めたテンプレート用メモリであり、デー
タは１２より入力される。また１７で検出された
パターンエツジ位置は１２へ入力され、パターン
寸法が算出される。１９は試料ステージであり、
２０は試料ステージを駆動するステージ制御部で
ありモータおよびモータ制御回路より構成され、
１２からの指令によりステージを移動する。２１
は試料ステーージの位置を検出する位置検出部で
あり、レーザ測長器等で構成され、ステージ位置
を１２へ入力する。２２は光学顕微鏡であり、２
３は２２の光軸方向の位置を検出する光学顕微鏡
光軸方向位置検出部であり、リニアエンコーダあ
るいは電気マイクロメータ等で構成され、光学顕
微鏡の光軸方向の位置が１２へ入力できる。２４
は２３を光軸方向に上下させる光学顕微鏡制御部
で、モータおよびモータ制御回路より構成され、
種々の高さを有する試料に対し、２４へ１２より
指令を出力することにより焦点合せを可能として
いる。２５はコンソール部であり、オペレータと
１２の情報交換に用いる。次に各部の具体例構成
を以下に示す。

第４図に偏向コイル電流制御部の具体的構成を
示す。第４図では単に水平方向に１ライン走査す
るための具体例を示しているが、垂直方向に１ラ
イン走査、あるいは斜め方向に走査したりするも
のも容易に構成できる。第４図において、２６は
１２より与えられる水平方向走査開始点であり、
２７は２６を一時記憶するラツチであり、２８は
走査指令信号であり、１２より与えられる。２９
はクロツクであり、２８が有効である間、ゲート
回路３０を介しカウンタ３１へクロツクを供給す
る。３１の内容は加算回路３２において、２７と
加算され、DA変換器３３を介し、偏向アンプ３
４へ入力される。３４は３３より入力した波形に
対応する偏向コイル電流を作り出し、水平方向偏
向コイル電流３５を出力する。３６は１２により
与えられる電子ビーム走査における垂直方向走査
位置であり、３６はラツチ３７で一時記憶され、
３７の内容はDA変換器３８を介し、偏向アンプ
３９へ入力される。３９は３６の示す垂直方向位
置に電子ビームを位置決めする垂直方向偏向コイ
ル電流４０を出力する。また、２８は反転回路４
１を介し、すなわち走査指令信号が無効な場合に
は、３１の内容のクリアをする。さらに本発明で
は２８が有効な場合以外には電子ビームを試料に
照射しないので、４１の出力は電子ビームを強制
的に曲げ、試料に照射しなくするブランキング信
号４２を生成するため、ブランキング信号アンプ
４３へ入力される。また、３０の出力４４は次に
述べるSEM信号入力部のサンプリングクロツク
となる。

第５図は１６の具体的構成を示す。４５は８か
ら得られるSEM検出信号であり、４６はAD変換
器であり、４４により４６は４５をAD変換す
る。４７は４６の出力を記憶するメモリであり、
メモリ容量としては１ライン分の容量、すなわち
４４のクロツク数分の容量を有する。

次にパターンエツジ検出方式について第６図ａ
〜ｄを用いて述べる。実際のエツジ断面形状に似
せたエツジのモデル形状４８に対し、理論式を適
用して求めたSEM信号のモデル波形を４９とす
る。ここで横軸５０は電子ビームの走査位置、縦
軸５１はSEM信号の強度を表わす。今、凹稜線
の位置を求める場合について考えると、この稜線
位置は４９上ではＰに相当する。４９よりこの位
置Ｐを含む前後の信号をテンプレート５２として
切り出し、実際に得られるSEM検出信号５３と
５２を重ね合せ、両者の波形の差、第６図ｃで斜
線で示した部分の面積５４を求める。そして新た
に縦軸５５に面積５４をとつたグラフを設けて、
５４を移動５６しながら面積５４の変化をプロツ
トして得られた不一致を示すグラフを第６図ｄに
示す５７とする。このようにすると５０が最小値
を示す位置５８は５３が最も５４と一致している
位置であり、かつその位置は求めたい稜線位置と
一致する。このような方法をとると、第７図に示
すようにノイズを含むSEM信号５９でも、テン
プレート５４は広い範囲の情報を用いるので、ノ
イズが平均化され、正確な稜線検出が行える。以
上述べたパターンエツジ検出すなわち１７，１８
の具体的構成を第８図に示す。

第８図において６０は４７より読み出される
SEM信号データであり、６０は長さｎのシリア
ルインパラレルアウトのシフトレジスタ６１に入
力される。６２は１８の具体例であり、本実施例
では長さｎのシリアルインパラレルアウトのシフ
トレジスタで構成している。ここでｎはテンプレ
ートの大きさを表わす。６１と６２の各内容は差
検出回路６３．１〜６３．ｎにより差が求めら
れ、これらの差は加算回路６４により加算され、
６４の出力は最小値回路６５へ入力され、最小値
を示す位置が求められる。最小値を示す位置が検
出すべきパターンエツジ位置である。

次に１９，２２の具体的構成を第９図に示す。
第９図において６６は真空試料室であり、光学顕
微鏡２２は第９図のように６６の内部が観察でき
るように配置し、さらに試料５を１１でも２２で
も見ることができるように試料ステージ１９を設
ける。第１０図は光学顕微鏡２２の光軸方向位置
検出部を設けたときの構成を示す。第９図、第１
０図で示したような構成をとると、測定すべき試
料の位置を２２を用いて探索することができ、そ
の位置を２１より検出し、２２と１１の視野中心
間距離分だけ２０を用い、１９を移動させた後、
１５，１６を動作させれば、１１を用いず、すな
わち電子ビームを試料に照射せず、測定したい位
置のSEM信号を検出できる。また、第１１図に
示すようなフローにより２３と１１の対物レンズ
コイル電流の関係を求めておけば、２２で焦点合
せをした結果を用い、１１の焦点合せが行える。
第１１図に示したフローは２３の光軸方向位置と
１１の対物レンズコイル電流値の各合焦点時の１
対の値を求めるものであるが、種々の高さを有す
る試料を用い、このフローに従い関係を求め、テ
ーブルとして１２内に記憶しておけばよい。ま
た、テーブル作成に用いる試料は、SEMにおけ
る焦点合せには電子ビームを長く照射するので電
子ビームを照射しても、問題のない試料であるこ
とが望しい。

次にモデル波形作成の理論式について述べる。
２次電子発生モデルとしては、例えばアルチヤー
ドモデル（Archard Model）（G.D.Archard：
Back Scattering of Electrons：J.Appl.
Phys.32，８，1505−1509（1961−８））がある。
このモデルの概要は、第１２図の如くである。

第１２図は、電子ビーム６７が物質１で構成さ
れた試料に入射した時の試料断面６８を示すが、
入射した電子は試料構成原子と衝突を繰り返しな
がら、２次電子、反射電子を出してその進行方向
を変える。そしてある深さ（物質１内拡散深さ６
９）を越えると、確率的にあらゆる方向に進み得
るようになる。一方、電子が物質の中に侵入でき
る深さ（飛程７０）は限りがある。ここで、飛程
７０から拡散深さ６９を差し引いた球半径７１と
する球を拡散深さ６９を中心に描くと、入射する
電子ビーム６７はすべてこの球の内部に止まるこ
とになる。そこで、再び表面から真空中に飛び出
すことのできる電子は、点線で示した円錘７２の
中のものだけになる。

これがArchard Modelで、彼はこの円錘の大
きさから、物質による後方散乱係数の大小を論じ
ており、実験値とよく一致している。

一方、２次電子は、これら散乱電子が表面近く
のごく薄い層７３で原子と衝突することにより発
生する。従つて、２次電子の量はこの球の試料表
面による切断面の面積（開口面積７４）に比例す
ることになる。そこで試料断面形状を仮定し、そ
れにそつてこの球を移動した時に、面積がどのよ
うに変化するかがわかれば、２次電子信号を推定
することができる。

第１３図は、物質１と物質２で構成される試料
に、電子ビーム６７を入射し、６７ａ，６７ｂと
走査した時の試料の断面６８，７５を示す。物質
１で構成される試料断面６８内のモデルは、第１
図と同様である。（モデル(1)とする）物質２で構
成される試料断面７５内でのモデルは、図の如
く、拡散深さ７６、飛程７７が物質１と違うた
め、球半径７８のモデルとなる。（モデル(2)とす
る）物質１と物質２が相互に影響する電子ビーム
６７ａの位置では、更に異なるモデルを考案する
必要がある。ここでのモデル中心深さは物質２の
厚さ７９と物質１内距離８０の和である。物質の
厚さ７９は電子ビームの入射位置で必然的に決定
されるため、物質１内距離８０を求めてやれば良
い。ここで、物質２内拡散深さ７６と物質１内拡
散深さ６９の比を定数C₁（物質２内拡散深さ７
６／物質１内拡散深さ６９）として、物質１内距
離８０は、物質２内拡散深さ７６と物質２の厚さ
７９の差にC₁を乗じた値として求める。又、物
質２内の電子の到達位置は、拡散深さから物質境
界面までの距離８１と境界面から電子到達点まで
の距離８２の和で表わせる。距離８１はモデルの
中心が決定されれば必然的に決定されるため、境
界面から電子到達点までの距離８２求めれば良
い。ここで、モデル(1)の球半径７１とモデル(2)の
球半径７８の比を定数C₂（モデル(1)の球半径７
１／モデル(2)の球半径７８）として、距離８２
は、モデル(1)の球半径７１と距離８１の差にC₂
を乗じた値として求める。

この様なモデルで、２次電子信号を推定した結
果の例を第１４図に示す。これは、物質１と物質
２が、傾斜角８３で接触する断面形状６８，７５
の試料に電子ビーム３を６７ａ，６７ｂと連続的
に走査した時の各位置におけるモデルの開口面積
８４…８４ａ…８４ｂを順次求め、横軸８５にビ
ーム位置、縦軸８６に開口面積を取り、各値を打
点し２次電子信号を推定した結果である。この推
定結果を実際の信号波形に更に近づけるためには
電子ビーム径を考慮しなければならない。

第１５図ａ及びｂは、その方法を説明するもの
である。一般に電子ビームの強度分布はガウス分
布８７で表わせる。電子ビーム６７ａの位置の結
果の補正は、この位置を中心とするビーム径８８
の内側に含まれる結果ｎ個について、各位置の開
口面積Siに各位置のビーム強度Gi（各位置の断面
積）を乗じた結果の総和（_o 〓ⁱ⁼¹ ｎ））を電子ビーム
８４ａの結果とする。この操作を順次行ない得ら
れた結果を第１６図ａ〜ｃに示す。横軸８５にビ
ームの位置、縦軸８６に実際の２次電子信号強度
を取り、実際の２次電子信号８９を表示してある
が、モデル波形から得られた推定２次電子信号２
４と良く特徴が一致している。

以上述べてきた本発明の方式にもとづく、寸法
測定の例を以下に記す。オペレータはコンソール
２５を介し、試料ステージ１９を動かし、かつ光
学顕微鏡２２を光軸方向に動かしながら、試料上
の測定したい位置を焦点を合せながら探索する。
測定したい位置の探索が完了するとオペレータは
２５より完了信号をコンピユータ１２へ送り１２
はそのときの試料ステージの位置（Xo，Yo）お
よび２２の光軸方向の位置Zoを入力する。次に
１２は１１と２２の視野中心間の距離（ΔX，
ΔY）より、測定したい位置を１１でみるための
試料ステージ位置（Xs，Ys）を Xs＝Xo＋ΔX Ys＝Yo＋ΔY として求め、１９を（Xs，Ys）に移動させる。
また、同時にZoより、Zoに対応する対物レンズ
コイル電流値を求め、１４を介しその電流値が対
物レンズ４に流し、１９が（Xs，Ys）に位置決
めされたとき、１１において合焦点が得られるよ
うにする。位置決めが完了すると、１２は１５へ
走査指令信号を送り、電子ビームの走査を行な
う。ここで１９の停止位置がXs＋εx，Ys＋εy）
というようにずれが生じたならば、ずれ量を２
６，３６に反映させ、ビーム走査位置を補正す
る。次に１６で得られたSEM検出信号に対し、
１８のテンプレートとの比較によりパターンエツ
ジ位置を求めるが、モデル波形はオペレータが試
料の材質、形状、SEMの加速電圧、ビーム径な
どを介し、１２へ入力することにより作られ、１
２より１８へテンプレートとして出力される。こ
こでテンプレートとの一致度が設定値以下であれ
ば、１２は自動的にモデル波形作成の条件を変更
し、一致度が向上するようにすることもできる。
また、前もつて１２内に各種のモデル波形を記憶
させておくことも可能である。テンプレートマツ
チングではパターンの左右のエツジ位置を別々に
検出し１２へ入力しその距離を１２はまず、クロ
ツク２９の数として求め、１クロツクの長さに相
当する数値を乗ずることにより、測定すべき寸法
とする。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、試料に対
する電子ビームの照射を極力押えてあり、寸法測
定に必要な最小限の照射に限ることができ、試料
のダメージを防ぐことが可能となる。また、寸法
測定に関しても精度よくかつ安定に行なうことが
可能になる。さらに電子ビームを照射することな
く、電子ビームを試料に焦点を合せることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はパターン断面とそこで得られるSEM
検出信号の例を示す図、第２図はSEMの原理図、
第３図は本発明の全体構成図、第４図は偏向コイ
ル電流制御部の具体例を示す図、第５図はSEM
信号入力部の具体例を示す図、第６図はパターン
エツジ検出原理を示す図、第７図はノイズを含む
SEM信号におけるパターンエツジ検出例を示す
図、第８図はパターンエツジ検出部の具体例を示
す図、第９図は光学顕微鏡の配例を示す図、第１
０図は光学顕微鏡の光軸方向の位置検出方式例を
示す図、第１１図はSEM焦点合せ用データ作成
フロー図、第１２図、第１３図、及び第１４図は
アルチヤードモデルを説明するための図、第１５
図はアルチヤードモデルにビーム径を考慮した場
合を示した図、第１６図はアルチヤードモデルと
実際のSEM信号の比較を示した図である。３……コンデンサレンズ、４……対物レンズ、
５……試料、６……偏向コイル、７……検出器、
８……増幅器、１１……SEM、１２……コンピ
ユータ、１５……偏向コイル電流制御部、１６…
…SEM信号入力部、１７……エツジ検出部、１
８……テンプレート用メモリ、１９……試料ステ
ージ、４８……エツジモデル、４９……モデル波
形、５２……テンプレート、５３，５９……
SEM検出信号、６０……SEM信号データ、６
１，６２……シフトレジスタ、６３……差検出回
路、６４……加算回路、６５……最小値検出回
路、６６……真空試料室、６７……電子ビーム、
６８，７５……試料断面、６９，７６……拡散深
さ、７０，７７……飛程、７４……開口面積、７
１，７８……球半径。

Claims

【特許請求の範囲】１電子ビームを試料へ照射、走査し、試料から
発生する電子を検出する装置において、電子ビー
ムの走査を制御する第１の手段と、該第１の手段
によつて制御される電子ビームの走査に同期して
試料から発生する電子を検出する第２の手段と、
該第２の手段によつて検出された検出信号より前
もつて設定した信号波形と最も一致した位置を検
出する第３の手段と、該第３の手段で検出された
位置より寸法を算出する第４の手段と、試料上電
子ビームを走査する位置を光学顕微鏡等により探
索する第５の手段と、該第５の手段によつて探索
された探索位置にもとづき、その試料上の位置を
上記装置で走査できる位置に位置決めする第６の
手段と、探索時に行なつた合焦点位置にもとづ
き、上記装置の焦点合せを行なう第７の手段とを
備え付けたことを特徴とする寸法測定装置。２上記第３の手段において、前もつて設定した
信号波形を、試料の材質、加速電圧、電子ビーム
径および測定すべきパターン断面の理想的形状よ
り定めたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の寸法測定装置。３上記第３の手段において、前もつて設定した
信号波形を、試料の材質、加速電圧、電子ビーム
径および種々のパターン断面形状について定め、
第２の手段によつて検出された検出信号と最も一
致したときの一致度が設定値以上になるまで、上
記信号波形を変更していくことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の寸法測定装置。４上記第３の手段において、上記第２の手段で
検出される検出信号を測定位置近傍で複数の走査
線にわたり求め、各走査線で求まる前もつて設定
した信号波形と最も一致した位置を各走査線で平
均して検出することを特徴とする特許請求第１項
記載の寸法測定装置。