JPH04105010A - 形状寸法測定装置および測定方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子ビームを試料に照射することによりウェ
ハー上の台形断面の形状を求め、形状寸法を正確に測定
する形状寸法測定装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、ＬＳＩおよび超ＬＳＩ等の高集積化に伴いパター
ンの微細化、高精度化が要求されている。

このためには、パターンの断面形状をｉｏすることや形
状寸法を±１０％以下の高精度で測定することが必要で
ある。従来から用いられてきた方法の一つとしては、測
定したいパターンの位置で試料を切断し、その切断面を
高分解能の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して形状
寸法を測定する方法がある。また、上記ＳＥＭを用いて
パターンの形状寸法を測定する装置も提案されている。

この装置は、特開昭６２−９８．２０８号に記載のよう
に電子ビームに対称に設置された反射電子の検出器の検
出信号をＲ，Ｌとした時に、パターン表面の凹凸の傾斜
角θとＬ／（Ｒ＋Ｌ）の関係の較正曲線からθを求め、
θを走査位置で積分してパターンの断面形状を表示し、
段差寸法を測定する方法である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来方法は、観察したいパターンを１μｍ以下の位
置精度で正確に切断することが困難であるため、評価し
たいパターンの形状寸法を測定することが難しい欠点が
ある。また、上記従来装置は、評価したいパターンの位
置の断面形状を測定できる利点があるが、良好なＳ／Ｎ
の反射電子信号を得るために高加速電圧にする必要があ
り、とくに絶縁物材料の測定では電子ビームによる損傷
が生じるため、測定中に反射電子信号が変化し測定誤差
が大きくなる欠点がある。さらに、電子ビームが試料表
面より深く侵入するため、反射電子信号には試料表面の
凹凸以外の情報も含むので測定誤差が大きくなる欠点も
ある。また、傾斜角θと反射電子信号のＲ，Ｌの較正曲
線は、高傾斜角で感度が低下するので高傾斜角のパター
ンの測定では誤差が大きくなる欠点もある。したがって
、従来装置では高精度の形状寸法測定が困難であった。

本発明の目的は、試料表面のパターンの形状寸法を高精
度で測定できる形状寸法測定装置を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、低加速電圧の電子ビームを試料上に照射し
、試料から放出される二次電子を電子ビームに対称に配
置された複数個の検出器で捕捉し、各検出信号を傾斜角
変換式で演算して試料表面の凹凸の傾斜角を求め、試料
表面の断面形状を演算し、断面形状を表示し形状寸法を
測定することにより達成される。

〔作用〕

低加速の電子ビームは１Ｍ！縁物の材料でも損傷が生じ
ないこと、二次電子信号は発生効率かよいので低加速の
電子ビームでもＳ／Ｎが良好なこと、二次電子は試料表
面から発生すること、傾斜角の変換公式は二次電子信号
の差信号の関数を用いていること、等により試料表面の
断面形状を高精度で測定できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面とともに説明する。

第１図は、本実施例の形状寸法測定装置の櫃略構成図で
ある。この形状寸法測定装置は、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉ
ｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　：走
査型電子顕微鏡）の本体部１と制御回路部２とから構成
されている。本体部１は、電子ビームを発生させる電子
銃１１と、この電子ビームを試料ウェハー１２上に集束
させるレンズ系１３と、試料ウェハー上の被測定パター
ン上をｘ、ｙ方向に電子ビームを走査させるための偏向
器１４と、試料ウェハーを載せてｘ、ｙ方向に可動な試
料台１５と、電子ビームの中心軸に対称で走査方向であ
る位置Ｘ方向の正負位置に配置された二次電子検出器１
６ａ、１６ｂと、から構成されている。各二次電子検出
器は電子ビームで照射された試料表面上で各検出器に二
次電子を加速するために印加する後段加速電圧による各
電界の強度が、各検出器に対して同じになるように構成
されている。また、電子銃１１には低加速電圧を印加す
る。低加速にすると、電子ビームによる試料の損傷が無
くなり、絶縁物の寸法測定が可能となる。さらに、エツ
ジ効果による波形の歪が小さくなる特徴もある。とくに
、加速電圧が７ＫＶ以下になると、エツジ効果による波
形の歪がほとんどなくなる。エツジ効果は形状寸法の測
定において不要な信号であるため測定誤差の要因となる
ので、高精度な寸法測定を行うにはエツジ効果を除去す
ることが必要である。

制御回路部２は、二次電子検出器１６ａ、１６ｂからの
信号を増帳し設定された偏向走査回数（１〜２０４８回
）にしたがって各々加算平均する信号処理回路２１と、
上記加算平均された信号から試料表面上の凹凸の傾斜角
を求める傾斜角変換器２２と、傾斜角の前後の相関関係
から深さの２座標信号を求める形状演算器２３と、偏向
制御回路２５による偏向信号のＸ座標信号と形状演算器
２３で求めた深さの２座標信号を表示装置に入力し試料
表面の断面形状を図形表示し形状寸法を測定する形状寸
法測定器２４と、から構成されている。

上記した装置における傾斜角変換器２２の動作を第２図
を用いて説明する。第２図は電子ビームの入射角と二次
電子の発生分布の関係を示す。第２図（ｂ）は入射角θ
＝ｏ°つまり試料表面に電子ビームが垂直に入射した時
の二次電子の発生分布を示す。第２図（ａ）は試料表面
がθだけ傾斜した時の二次電子の発生分布を示す６二次
電子の発生量は電子ビームの入射角に依存するため、第
２図の（ｂ）よりも（ａ）の方が多くなる。第２図（Ｃ
）は試料表面が一〇だけ傾斜した時の二次電子の発生分
布を示す。この場合の二次電子の発生量も第２図の（ｂ
）よりも（Ｃ）の方が多くなる。このような二次電子の
発生分布を本実施例のように２個の検出器で捕捉する装
置では、二次電子の検出信号は次のようになる。第２図
（ｂ）では電子ビームと試料表面の法線が一致している
ため、二次電子検出器１６ａ、１６ｂには同じ量の二次
電子が捕捉される。各々の検出信号Ａ（θ。）、Ｂ（θ
。）は、 Ａ（θ。）＝Ｂ（θ。） となり、等しくなる。第２図（ａ）では二次電子の捕捉
率が二次電子検出器１６ａよりも二次電子検出器１６ｂ
の方が多くなる。各々の検出信号Ａ（θ）、Ｂ（θ）は
、 Ａ（θ）〈Ｂ（θ） となる。第２図の（Ｑ）では二次電子の捕捉率が（ａ）
と反対に二次電子検出器１６ｂよりも二次電子検出器１
６ａの方が多くなる。各々の検出信号Ａ（−〇）、Ｂ（
−〇）は、 Ａ（−〇）〉Ｂ（−〇） となる。以上の関係は検出信号の差信号を用いることに
よって、傾斜角θとの相関関係を表わすことができる。

その差信号Ｄ（θ）は、 Ｄ（θ）＝Ｂ（θ）−Ａ（θ） である。しかし、電子ビーム電流の変動や試料表面の汚
染等の外乱で、二次電子の発生効率は変化するため、θ
が同じ試料でも上記差信号Ｄ（θ）は異なるという問題
点がある。この現象において、θと二次電子の発生効率
の関係を調べると、検出信号Ａ（θ）、Ｂ（θ）をθ＝
ｏ°の検出信号Ａ（θ。）＝Ｂ（θ。）で正規化すると
、上記問題点の影響を受けないことが分かった。その差
信号ＤＮ（θ）は、 と表わされる。第３図は二次電子の発生量と差信号Ｄ（
θ）、ＤＮ（θ）の関係を示す。二次電子の発生量の変
化は電子ビーム電流を変えることで対応した。同じ試料
を電子ビーム電流を変えて測定した。また、差信号は電
子ビーム電流が１０ｐＡの時を基準にして比較した。第
３図に示すように二次電子の発生効率が変化すると、差
信号Ｄ（θ）は変化するが、差信号ＤＮ（θ）は変化し
ないことが分かる。つまり、差信号ＤＮ（θ）は外乱に
影響されない特徴がある。二次電子の発生分布は１／ｃ
ｏｓθに比例するとして、　ＤＮ（θ）を理論的に求め
ると次式で表わされる。

しかし、装置構造や二次電子の検出器の配置によっては
、上式が成り立たない場合がある。このため、θとＤ　
Ｎ　（θ）の関係を実験で確認した。第４図は傾斜角θ
と差信号ＤＮ（θ）の関係を示す。

−〇の場合には差信号が−ＤＮ（θ）となる。第４図よ
り傾斜角θと差信号ＤＮ（θ）との変換式は、θ＝に−
Ｄｓ（θ） と表わすことができる。Ｋは定数であり、検出器の配置
や試料表面の材質で異なり、０．０１〜０．１である。

第４図ではに＝０．０３３である。

本発明では二次電子を前記後段加速電圧で吸引している
ため、上記変換式ではθ″：９０″の近傍まで成立して
おり、高傾斜角のパターンでも正確に傾斜角を求められ
る特徴がある。傾斜角変換器２２は検出信号Ａ（θ）、
Ｂ（θ）から変換式で演算することにより傾斜角θを求
める動作をする。

次に形状演算器２３の動作を第５図を用いて説明する。

第５図は試料の断面形状の一例を示す。

傾斜角変換器２２で求めた傾斜角θは走査方向Ｘの各走
査位置の勾配に該当する。例えばθ、は、ｘｌの勾配で
ある。そこで、Ｘ工、θ□から深さの２２座標は次式で
求められる。

ｚ２＝　ｚ工＋（ｘｚ　ｘｌ）・ｔａｎθ、順次この計
算を繰返し走査方向Ｘの全ての走査位置について演算す
れば、各走査位置Ｘに対応した深さの各２座標が求めら
れる。

次に形状寸法測定器２４の動作について説明する。形状
演算器２３で求めた深さのＺ座標と偏向制御回路２５か
ら得る走査位置のＸ座標との関係を表示装置に入力する
と、試料表面の断面形状が図形表示され、またｘ、ｚ座
標がメモリーに記憶される。第６図は測定したその一例
である。試料はＳ」ウェハー上に形成された台形断面の
Ｓｉ、Ｎ、。

である。形状寸法はこの図形から測定する。座標Ｘ工と
Ｘ３のＺ座標は表示装置から求めると２□と２２である
。Ｓｉ３Ｎ４の台形断面の段差はｚ２−２１として求め
ることができる。また、Ｓｉ３Ｎ、の台形断面のエツジ
部ａ、ｂの幅は座標Ｘ２とＸ４の差のＸ４−Ｘ２で求め
ることができる。

以上述へてきた動作を用いることにより、試料表面の形
状寸法を正確に測定することができる。

第７図は第６図の試料についてパターン断面を観察した
ＳＥＭ像から測定した基準の段差寸法と、上記方法によ
って測定した段差寸法の測定誤差を比較した結果である
。横軸はＳＥＭ像から測定した基準の段差寸法、縦軸は
上記方法によって測定した段差寸法の測定誤差である。

基準の段差寸法は、０．１．０．３．０．５、Ｑ、７．
１．０μｍである。エツジの傾きは７０°である。第７
図に示すように段差寸法の測定誤差は±５％以内とよく
一致した。

以上のように本実施例によれば、試料表面に形成された
微細な形状の任意の位置の断面形状を表示することがで
き、また、形状寸法を正確に泪ワ定することが可能であ
る。

さらに下記のように二次電子信号以外のオフセット量を
除けば、形状寸法をさらに正確に測定することができる
。

検出信号Ａ（θ）、Ｂ（θ）には二次電子信号以外に電
気回路系等のオフセラ１へが含まれている。

このオフセットは傾斜角θを演算する時の誤差になるの
で、除去する必要がある。オフセット量は電子ビームを
照射しない時の検出信号である。しかし、電子銃１１に
高電圧を印加または遮断することを繰り返すことは、電
子ビームが不安定になり、正確な形状寸法の測定ができ
なくなる。この問題点はファラデーカップで検出信号を
測定することにより解決される。ファラデーカップの測
定では、電子銃１１に高電圧を印加した状態で、電子ビ
ームを照射しない時と同し検出信号が得られるから、そ
の検出信号はオフセット量とすることができる。オフセ
ット量の除去は、二次電子検出器１６ａ、１６ｂの各検
出信号からファラデーカップの各検出信号を減算するこ
とにより達成される。したがって、θに正確に対応した
二次電子の各検出信号を得ることが可能となる。

形状寸法の測定では、二次電子検出器１６ａ、１６ｂの
増幅器の利得が異なると測定誤差が大きくなる。このた
め、各増幅器の利得を正確に一致させる調整方法が必要
である。第２図（ｂ）に示す試料ではθが０°であり、
この場合の二次電子の捕捉率は各二次電子検出器１６ａ
、１６ｂで等しくなる。また、検出信号Ａ（θ。）、Ｂ
（θ。）も等しいはずである。したがって、各増幅器の
利得を正確に一致させるには、θが０°の試料で二次電
子を検出し、その各検出信号の振幅が一致するように利
得を調整することで達成される。

電子ビームを２次元に走査し、検出した二次電子の検出
信号を演算して試料表面の３次元形状を表示し形状寸法
を測定することは可能である。その例として鳥敞図があ
る。３次元図形においては、電子ビームがＸ方向に走査
した所を測定した形状と次の走査をした所を測定した形
状を位置を少し変えて図形表示をする。この場合には、
試料表面の形状を正確に反映した形状を表示しないこと
がある。これは、Ｘ方向に測定した各形状の間に相関関
係のない図形を表示したためである。相関関係は、Ｘ方
向（走査方向と直角方向）の二次電子をＸ方向に配置し
た二次電子検出器で検出し、その検出信号をＸ方向に測
定した形状として演算処理することで求められる。３次
元図形では、Ｘ方向に測定した各形状を表示する時に、
Ｘ方向の測定した形状を用いて２座標を加え補正し表示
することにより、試料表面を正確に反映した３次元形状
を表示することができる。したがって、この３次元形状
からは形状寸法を正確に測定できる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による形状寸法測定装置は、電子ビ
ーム測定試料上で微小プローブに集束する集束手段と、
この電子ビームを上記試料面に走査する偏向手段と、試
料から放出または散乱される二次電子を検出する信号検
出手段と、上記検出手段からの信号を演算処理する手段
とを具備する形状寸法測定装置において、上記電子ビー
ムに対称に配置した２個以上の検出器で二次電子を検出
する信号検出手段と、上記演算処理する手段が、試料表
面の傾斜角を求める傾斜角変換演算器と、試料表面の断
面形状を求める形状演算器と、断面形状を表示し形状寸
法を測定する手段とにより構成されたことにより、電子
ビームによる損傷がなく、電子ビーム電流の変動や試料
の汚染等の外乱に影響されずに、高傾斜角のパターンの
形状でも、試料表面の形状寸法を正確に測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による形状寸法測定装置の一実施例を示
す概略構成図、第２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞ
れ二次電子の発生分布を示す図、第３図は二次電子の発
生量と変換式の関係を説明する図、第４図は傾斜角と変
換式の関係を説明する図、第５図は試料表面の形状と深
さの２座標の関係を説明する図、第６図は測定した試料
表面の形状を示す図、第７図は基準段差寸法と本発明で
測定した段差寸法との差を示す図である。 ｌ・・・ＳＥＭ本体部　　　２・・・制御回路部１１・
・・電子銃　　　　　１２・・・試料ウェハー１３・・
・レンズ系　　　　１４・・・偏向器１５・・・試料台
　　　　　１６ａ・・・Ａ信号検出器１６ｂ・・・Ｂ信
号検出器　２１・・・信号処理回路２２・・・傾斜角変
換器　　２３・・・形状演算器２４・・・形状寸法測定
器　２５・・・偏向制御回路θ・・・電子ビームの入射
角 Ｄ（θ）、Ｄ　Ｎ　（θ）・・・二次電子信号の差信号
ｘｉ、Ｘ、、ｘ３、Ｘ４・・・電子ビームの走査位置の
Ｘ座標 Ｚｌ、ｚ２・・・形状の深さの２座標 ａ、ｂ・・・ウェハー上の台形断面のエツジ部代理人弁
理士　中　村　純　之　助 （ｂ） 第２図 （Ｃ） 惺り５ヒ゛−Ａ　４虹５Ｕ７’Ａ） 第３図 ブＶ貝４＋βｊθ 第４ 図 第 図 一一一一一−−−− 父１ ブ２ χ３ χ４ 第７ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子ビームを測定試料上で微小プローブに集束する
   集束手段と、この電子ビームを上記試料面に走査する偏
   向手段と、試料から放出または散乱される二次電子を検
   出する信号検出手段と、上記検出手段からの信号を演算
   処理する手段とを具備する形状寸法測定装置において、
   電子ビーム軸に対称に配置された２個以上の検出器で二
   次電子を検出する信号検出手段と、上記演算処理する手
   段とが、試料表面の傾斜角を求める傾斜角変換演算器と
   、試料表面の断面形状を求める形状演算器と、断面形状
   を表示し形状寸法を測定する手段とにより構成されたこ
   とを特徴とする形状寸法測定装置。 ２、上記二次電子の信号検出は、電子ビームの走査方向
   に、電子ビームと軸対称に配置された２個の検出器で行
   い、その検出信号を演算処理することにより、形状寸法
   を測定する特許請求の範囲第１項に記載した形状寸法測
   定装置。 ３、上記二次電子信号は、試料の傾斜角が０゜の時の各
   々の二次電子信号強度が同一になるように、各検出器の
   増幅器の利得を調整する機能を備えたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項に記載した形状寸法
   測定装置。 ４、上記傾斜角演算器は、傾斜角が０゜の時の二次電子
   信号強度で正規化した二次電子信号を用いて演算するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載した形状寸
   法測定装置。 ５、上記傾斜角演算器は、上記複数個の検出器により正
   規化した各々の二次電子信号の差信号から、試料表面の
   傾斜角を求めることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または第４項に記載した形状寸法測定装置。 ６、上記二次電子検出器の後段加速電圧による各電界の
   強度は、電子ビームで照射された試料表面上において、
   各検出器に対し分布が同じになるように構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項から第３項のいずれか
   に記載した形状寸法測定装置。 ７、上記二次電子信号は、試料台に搭載したファラデー
   カップに電子ビームを照射した時の二次電子信号との差
   を演算し、二次電子信号のオフセットを除去したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項から第６項のいずれか
   に記載した形状寸法測定装置。 ８、上記電子ビームの加速電圧は、７ＫＶ以下であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載した形状寸
   法測定装置。 ９、電子ビームを測定試料上で微小プローブに集束する
   集束手段と、この電子ビームを上記試料面に走査する偏
   向手段と、試料から放出または散乱される二次電子を検
   出する信号検出手段と、上記検出手段からの信号を演算
   処理する手段とを具備する形状寸法測定装置において、
   走査方向に沿って二次電子信号を検出するとともに、上
   記走査方向と直角の方向の二次電子信号を検出すること
   により、上記走査方向と直角方向の形状を演算処理し、
   上記形状を走査方向に沿って検出した形状波形間の相関
   関係として３次元形状を表示し、形状寸法を測定するこ
   とを特徴とする形状寸法測定装置。 １０、電子ビームを測定試料上で微小プローブに集束す
   る集束手段と、この電子ビームを上記試料面に走査する
   偏向手段と、試料から放出または散乱される二次電子を
   検出する信号検出手段と、上記検出手段からの信号を演
   算処理する手段とを具備する形状寸法測定方法において
   、上記電子ビーム軸に対称に配置された２個の検出器が
   検出した各々の二次電子信号をＡ、Ｂとし、試料の傾斜
   角が０゜の二次電子信号をそれぞれＡ＿０、Ｂ＿０とし
   た時に θ＝Ｋ｛（Ａ／Ａ＿０）−（Ｂ／Ｂ＿０）｝なる傾斜角
   変換式（Ｋは定数）により、上記試料の傾斜角θを求め
   ることを特徴とする形状寸法測定方法。 １１、上記傾斜角変換式の定数Ｋは、Ｋ≦１であること
   を特徴とする特許請求の範囲第９項に記載した形状寸法
   測定方法。 １２、上記傾斜角変換式のＡ＿０、Ｂ＿０は、Ａ＿０＝
   Ｂ＿０となるように各検出器の利得を調整する機能を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載した
   形状寸法測定方法。 １３、上記傾斜角θは、電子ビームの走査方向に積分す
   ることにより断面形状の図形を表示し、上記図面から任
   意の形状寸法を測定することを特徴とする特許請求の範
   囲第９項に記載した形状寸法測定方法。