JPH0444925B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、たとえば半導体ウエハ上に形成され
た微小パターンの寸法を自動的に測定する寸法測
定装置に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 従来、半導体ウエハのパターン幅を測定する方
法として、光学顕微鏡を用いた測微計、工業用テ
レビジヨン（ITV）カメラと光学顕微鏡を組合
わせた電子式測定機、レーザ反射光と精密移動ス
テージを組合わせた測定機等の光学的に像を拡大
したり、ビーム径を細くして分解能を向上させた
測定法がほとんどであつた。さらに、走査型電子
顕微鏡を用いて得られた拡大画像にスケールをあ
ててその時の倍率から換算して寸法測定するか、
あるいは画像を複数の画素に分解して、画像上に
カーソルを発生させ、測定者がパターンエツジ部
にカーソルを合わせて、カーソル間の画素数と倍
率とから寸法を得る方法があつた。しかるに、近
時、LSI及び超LSIの高集積化に伴い、パターン
の微細化、高精度化が進んでいて、これに対応し
てパターン幅測定機も0.1μｍ以下の分解能を必要
とするようになつている。 しかし、従来の光学的手段では倍率的に制限が
あり、その分解能も波長の1/4程度であり、0.1μ
ｍ以下の分解能を得ることは不可能である。ま
た、レーザ反射光によりエツジを検出する測定法
ではパターンの断面形状が変われば（レジストと
エツチング後の形状の違い等）、その測定結果に
ばらつきが生じ、高精度の測定ができない。さら
に、走査型電子顕微鏡を用いた方法では、倍率の
調整が不十分であつたり、スケールで測定する場
合には読取り誤差が、また、カーソルをパターン
エツジに合わせる場合も測定者による合わせ方の
ばらつきが生じ、高精度の測定が困難となつてい
た。 〔発明の目的〕 本発明は、上記事情を参酌してなされたもの
で、走査型電子顕微鏡（以下、SEM（Ｓcanning
Ｅlectron Ｍicroscope）と呼ぶ。）を用いて、
たとえば半導体ウエハ上に形成された微小パター
ンの寸法を自動的かつ高精度で測定することので
きる寸法測定装置を提供することを目的とする。 〔発明の概要〕 SEM本体部に寸法測定部を電気的に接続し、
まず、SEM本体部からの画像信号が最適な信号
レベルになる様に増幅率が自動設定され、さらに
上記寸法測定部にてSEM本体部から出力された
寸法測定されるパターンを示す画像信号に基づい
て上記パターンの輪郭を示す縁部を決定するとと
もに、求められた複数の縁部間の距離を倍率に応
じて自動的に算出するようにしたものである。 〔発明の実施例〕 以下、本発明を図面を参照して、実施例に基づ
いて詳述する。 第１図は、本実施例の寸法測定装置の構成図で
ある。この寸法測定装置は、走査型電子顕微鏡
（Ｓcanning Ｅlectron Ｍicroscope；以下、た
んにSEMと略記する。）本体部１と、このSEM
本体部１により捕捉された特定部分の寸法を測定
する寸法測定部２と、画像信号レベル自動調整を
行う画像信号調整部２ａとからなつている。上記
本体部１は、図示せぬ電源により電子を放出する
電子銃３と、この電子銃３から放出された電子線
束４を縮小するコンデンサ・レンズ５……と、基
準となるクロツク信号PSを出力する基準信号発
生部６と、この基準信号発生部６から出力された
クロツク信号PSに基づいて電子線束４をラスタ
走査させるための掃引信号SSを発生させる掃引
信号発生部７と、図示せぬ倍率切換スイツチの設
定により上記掃引信号発生部７から出力された掃
引信号SSと組合わせて後述する走査コイル部８
に制御信号CSIを出力する倍率切換部９と、上記
制御信号CSIに基づいて電子線束４の走査方向及
び幅を制御する走査コイル部８と、さらに電子線
束４を縮小し測定試料１０上に電子線束４を照射
する対物レンズ１１と、測定試料１０から放出さ
れる二次電子を集促する二次電子検出器１２と、
この二次電子検出器１２からの信号を増幅する増
幅する増幅部１３と、この増幅部１３から出力さ
れた画像信号ISと掃引信号発生部７から出力され
た掃引信号SSにより後述するCRT（Ｃathode
Ｒay Ｔube）１４に画像を表示させるための画
像信号増幅器１５と、図示せぬ載置台上に保持さ
れた測定試料１０の特定部位の拡大画像を表示す
るCRT１４とから構成されている。一方、上記
寸法測定部２は、基準信号発生部６からのクロツ
ク信号PS及び掃引信号発生部７からの掃引信号
SSに基づいて後述するCRU（Central Processing
Unit；中央処理装置）部１６から出力された制
御信号CS２により上記画像信号ISを複数の画素
（512×512）に分割して画像信号ISのレベル（電
圧値）をアナログーデイジタル変換するアナログ
ーテイジタル（Ａ／Ｄ）変換部１７と、上記画素
ごとにＡ／Ｄ変換された画像信号DISをアドレス
化してそれらのレベル（電圧値）を記憶する画像
信号記憶部１８と、CRT１４に複数のカーソル
を発生させ発生位置をCRT１４上で任意の位置
に動かすことができるカーソル設定部１９と、上
記CRT１４におけるカーソルの位置を読み取り
アドレス化された画像信号ISに対応したアドレス
に変換して出力するカーソル位置読取部２０と、
カーソルのアドレスを読み取り２本のカーソル間
の画像信号DISを画像信号記憶部１８より読み出
し後述する各種画像処理を行う演算機能と記憶機
能を有するCPU部１６と、このCPU部１６にお
ける演算結果をデイジタルーアナログ（Ｄ／Ａ）
変換してCRT１４に表示させるＤ／Ａ変換部２
１とから構成されている。さらに、画像信号調整
部２ａは、入力側がCPU部１６に接続され出力
側が掃引信号発生部７に接続された電子線束走査
制御部２２と、入力側がCPU部１６及び増幅部
１３の出力側に接続され画像信号ISの最大値と最
小値を検出して保持するピーク検出部２３と、こ
のピーク検出部２３の出力側に接続され画像信号
ISの最大値と最小値との差がＡ／Ｄ変換部１７の
許容電圧範囲とほぼ等しくなるように増幅部１３
の増幅率を最適な状態に設定する信号を増幅部１
３に出力する増幅率設定部２４とから構成されて
いる。 つぎに、上記のように構成された寸法測定装置
の作動について詳述する。 まず、SEM本体部１の載置台に例えばLSI等の
パターンが形成された半導体ウエハなどの測定試
料１０を載置する。しかして、電子銃３から放出
された電子線束４は、コンデンサ・レンズ５……
により縮小され、倍率切換部９から出力された制
御信号CSIにより走査コイル部８にてＸ−Ｙ方向
にラスタ走査を行い、対物レンズ１１でさらに縮
小して測定試料１０上に照射される。すると、測
定試料１０面からは、二次電子が放出される。こ
の二次電子は、二次電子検出器１２により集捉さ
れ電気信号に変換される。この二次電子検出器１
２から出力された電気信号は増幅器１３にて増幅
され、画像信号ISとして画像信号増幅器１５に出
力される。この画像信号増幅器１５にては、掃引
信号発生部７から出力された掃引信号SSと上記
画像信号ISとを組合わせてCRT１４に画像とし
て表示させる。一方、画像信号ISは、Ａ／Ｄ変換
部１７にてCPU部１６から出力された制御信号
CS２に基づいてＡ／Ｄ変換され第２図に示すよ
うに、ラスタ走査（第２図矢印Ａ方向）及び走査
線分割（第２図矢印Ｂ方向）により、512×512個
の画素に分割されて、それぞれのアドレスにおけ
るＡ／Ｄ変換された画像信号DISをIS（ｉ，ｊ）
（ただし、０≦ｉ、ｊ≦511）とアドレス化する。
しかして、画像信号記憶部１８にては、これらア
ドレスIS（ｉ，ｊ）ごとに画像信号DISが記憶さ
れる。つぎに、上記した動作で得られたCRT１
４上のパターンＰに対して、このパターンＰの幅
Ｄを求めるためにカーソル設定部１９を操作して
画像信号増幅器１５にカーソル発生信号KSを出
力し、２本のカーソル２２ａ，２２ｂをパターン
Ｐを挟むような位置に移動させる（第３図ａ参
照）。その際、カーソル２２ａ，２２ｂの幅Ｗ及
び長さＬはカーソル設定部１９にて調節できる。
さらに、CPU部１６にては、カーソル設定部１
９からカーソル位置読取部２０を介して出力され
たカーソル発生信号KSに基づいて、CRT１４上
におけるカーソル２２ａ，２２ｂの位置をアドレ
ス化された信号IS（ｉ，ｊ）（０≦ｉ≦511、０≦
ｊ≦511）に変換する。つぎに、CPU部１６から
は、第３図ａの線分Ｍ位置のアドレスを示す信号
CS３が電子線走査制御部２２に出力される。す
ると、この電子線走査制御部２２からは、線分Ｍ
に沿つてのみ電子線を走査させるための制御信号
CS４が掃印信号発生部７に出力される。その結
果、電子線束４が、走査コイル部８により測定試
料１０上の線分Ｍに沿つてのみ走査される。その
結果、第３図ｂに示すように画像信号ISがピーク
検出部２３に出力される。このときピーク検出部
２３には信号CS５がCPU部１６ら出力され作動
状態になつている。このピーク検出部２３はサン
プルホールド回路を主構成要素とするものであつ
て、入力した画像信号ISの最大ピーク値V₁と最
小ピーク値V₂とが抽出保持され、これらの差△
Ｖを示す信号SAが増幅率設定部２４に出力され
る。このとき、寸法測定部２の作動は停止してい
る。この信号SAを入力した増幅率設定部２４に
ては、第３図ｃに示すようにＡ／Ｄ変換部１７の
許容電圧範囲Ｒの上限よりわずかに小さい電圧位
置に最大ピーク値V₁が位置し、また許容電圧範
囲Ｒの下限よりわずかに大きい電圧位置に最小ピ
ーク値V₂が位置するように、画像信号ISを増幅
部１３にて増幅するための最適な増幅率を示す信
号SBが増幅部１３に出力される。その結果、信
号SBを入力した増幅部１３にては、上記最適な
増幅率が設定される。かくして、増幅率の設定が
終了すると、画像信号調整部２ａの作動が停止
し、寸法測定部２の作動が再開される。しかし
て、カーソル２２ａ，２２ｂにより指定された判
別領域内の任意の１ラインのデータを画像信号記
憶部１８からCPU部１６に転送する（第４図ブ
ロツク２３）。この１ラインのノイズ除去を、
FET（Ｆast Ｆourier Ｔranform）法又は積算
傾斜変換法を使い行う（第４図ブロツク２４）。
上記FET法によりノイズ除去を行う場合は、画
像信号記憶部１８から取り込んだデータ（第５図
ａ参照）をフーリエ変換して（第４図ブロツク２
５）、周波数解析を行いノイズを除去するため高
周波成分をカツトする（第４図ブロツク２６）。
しかして、高周波成分がカツトされたデータを逆
フーリエ変換して波形を再生する（第４図ブロツ
ク２７）。この処理により、第５図ｂに示すよう
に、ノイズを元の波形から取り除くことができ
る。他方、積算傾斜変換法による場合は、画像信
号記憶部１８ら取り込んだ１ラインのデータ（第
６図ａ参照）に関しては、ｊ点目（０≦ｊ≦511）
のデータをｆ(j)とすると、０≦ａ≦511について、
ｓ(a)＝_a 〓^j=o ｆ(j)を計算し（第４図ブロツク２８）、
この積算結果ｓ(a)についてｍ点先のデータとの勺
配ｇ(a)＝（ｓ（ａ＋ｍ）−ｓ(a)）／ｍを求める（第
４図ブロツク２９）。この処理により、元の波形
（第６図ａ）に比べ、ノイズが除去された波形
（第６図ｂ）が得られる。しかして、上記いずれ
かの方法によりノイズが除去された波形につい
て、第７図及び第８図で示すように、カーソル２
２ａ，２２ｂにより寸法測定する判別領域を指定
する（第４図ブロツク３０）。判別領域は、寸法
測定部位すなわちパターン部分（第３図領域Ｐ）
に対応する波形の電圧値が他部分より大きいこと
により識別できる。それから判別領域内にて第７
図及び第８図に示す一方の側縁部における最大値
３１及び最小値３２を求める（第４図ブロツク３
３）。なお、第７図において、波形３４はノイズ
除去前の波形、波形３５はノイズ除去後の波形で
ある。しかして、最大値３１と最小値３２との間
において任意に２点３６，３７を選択し、直線近
似する範囲を指定する（第４図ブロツク３８）。
つぎに、これら２点３６，３７間のデータに対し
て、最小二乗法にて回帰直線３９を求める（第４
図ブロツク４０）。さらに、最小値３２と点３７
との間のデータすなわち平坦な部分のデータに対
して最小二乗法により回帰直線４１求める（第４
図ブロツク４２）。つぎに回帰直線３９，４１の
交点４３を求める。同様にして、他方の側縁部に
おける回帰直線４４，４５を求め、それらの交点
４６を算出する（第４図ブロツク４７）。上記交
点４３，４６の位置はCRT１４にて表示すると
ともに、両者の間隔（画素数）を求め、倍率切換
部９で決められた１画素当りの寸法を乗算し、寸
法に変換する（第４図ブロツク４８）。そうして、
カーソル２２ａ，２２ｂが複数の走査線にわたつ
ているときは、別のラインについて同一の処理を
繰返して行う（第４図ブロツク４９）。しかして、
各ラインについて得られたパターンＰの幅Ｄを示
す寸法に基づいて各種統計処理たとえば平均値演
算、標準偏差演算を行う（第４図ブロツク５０）。
最後に、これらの演算結果をモニタ、プリンタ等
の表示部で表示、記録する（第４図ブロツク５
１）。かくして、本実施例の寸法測定装置によれ
ば、例えば半導体パターンなどの微細な測定対象
を、0.01μｍの高分解能で、高精度かつ自動的に
求めることができる。とりわけ、画像信号調整部
２ａにて、画像信号ISを最適な信号レベル自動的
に補正するようにしているので、Ｓ／Ｎ
（Signal／Noise）比が高くなり測定精度が向上
するという格別の効果を奏する。 なお、上記実施例においては、横方向のパター
ン幅の寸法測定について示しているが、縦方向の
パターン幅についても電子線束の走査方向を90度
スキヤンローテーシヨンすることにより同様の方
法で可能となる。また、パターン幅の測定に限る
ことなく、第９図ａに示すように２本のパターン
P₁，P₂のそれぞれの内部にカーソル２２ａ，２
２ｂを設定して、第９図ｂに示すような波形５２
より上記実施例と同様にして、回帰直線５３，５
４，５５を求めこれらの交点５６，５７よりパタ
ーンP₁，P₂の間隔を求めることもできる。さら
に、第１０図ａに示すパターンP₃，P₄のピツチ
も求めることができる。すなわち、カーソル２２
ａ，２２ｂでパターンP₃の左（右）側縁部をは
さみ、カーソル２２ｃ，２２ｄでパターンP₄の
左（右）側縁部をはさむ。しかして、上記実施例
と同様にして、第１０図ｂに示す波形５８より回
帰直線５９，６０，６１，６２を求めたのち、こ
れらの交点６３，６４よりパターンP₃，P₄のピ
ツチを求めることができる。また、上記実施例に
おいては、FFT法又は積算傾斜変換法によりノ
イズの除去を行つたが複数画素の平均化又は複数
画面の加算によりノイズ除去を行つてもよい。の
みならず、寸法測定においてノイズを無視できる
場合にはノイズ除去処理を省略することができ
る。さらに、パターン縁部（エツジ）を求める方
法としては、上記実施例のように回帰直線の交点
から求める方法に限ることなく、たとえば、第１
１図ａに示すように、パターンP₅をはさむよう
にカーソル２２ａ，２２ｂを設定し、このカーソ
ル２２ａ，２２ｂ間の波形６５（第１１図ｂ参
照）について、カーソル２２ａ，２２ｂ側から画
像信号を積算して第１１図ｃに示す積算曲線６
６，６７を得、この積算曲線６６，６７の変曲点
６８，６９よりパターン幅D₂を求めることもで
きる。さらにまた、上記実施例においては、測定
試料１０してLSI用の半導体ウエハを用いている
が、μｍオーダの寸法測定であればいかなるもの
にも本発明の寸法測定装置を適用できる。 〔発明の効果〕 本発明の寸法測定装置は、SEM本体部に、こ
のSEM本体部から出力された画像信号を最適な
信号レベルに自動的に補正した後、その画像信号
に基づいて測定試料の特定部位の寸法測定を自動
的に行う寸法測定部を連設したので、異なつた測
定試料による信号レベルの変化によつて生じる信
号処理過程での誤差を少なくすることができ、し
かも測定者によるばらつき、読み取り誤差が解消
され、0.01μｍ以下の高分解能で、高精度かつ迅
速に精密測定を行うことができる。したがつて、
本発明の寸法測定装置をLSI、超LSI等の半導体
製造プロセスに適用した場合、製品の評価及び検
査を容易かつ高度の信頼制をもつて行うことがで
きる。その結果、半導体製品の品質向上及び歩留
向上を達成することができる。のみならず、高集
積化のための各種の製造技術開発及びプロセス条
件の決定に多大な寄与をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の寸法測定装置の全
体構成図、第２図は第１図の寸法測定装置で得ら
れた画像信号の画素への分割を示す説明図、第３
図ａ，ｂ，ｃはCRTにおけるカーソルの設定及
び増幅率の設定を示す図、第４図は第１図の寸法
測定装置による寸法測定手順を示すフローチヤー
ト、第５図及び第６図はノイズ除去前の画像信号
とノイズ除去後の画像信号を示すグラフ、第７図
及び第８図はパターン幅の求め方を説明するため
のグラフ、第９図ないし第１１図は第１図の寸法
測定装置による各種寸法測定を説明するための図
である。 １……SEM本体部、２ａ……画像信号調整部、
２……寸法測定部、４……電子線束、１０……測
定試料、１４……CRT（表示部）、１６……CPU
部（演算制御部）、１８……画像信号記憶部、１
９……カーソル設定部、２２ａ，２２ｂ……カー
ソル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記構成を具備することを特徴とする寸法測
   定装置。 (イ) 測定試料を格納して上記測定試料上に電子線
   束を走査しながら投射して上記測定試料上に形
   成されているパターンを示す画像信号を得ると
   ともに表示部を有しこの表示部に上記画像信号
   を入力して上記パターンの画像を表示する走査
   型電子顕微鏡本体部。 (ロ) 上記表示部にカーソルを表示させ上記表示部
   における上記パターンの寸法測定領域を指定す
   るカーソル設定部と、上記画像信号を画素に分
   解するとともにアドレス化して画像データとし
   て記憶する画像信号記憶部と、上記カーソルに
   より指定された上記寸法測定領域内の上記画像
   データを取込んで上記パターンの輪郭をなしか
   つ寸法測定基準となる複数の縁部を決定しこれ
   ら縁部間の距離を算出する演算制御部とを有す
   る寸法測定部。 (ハ) 上記走査型電子顕微鏡本体部に上記カーソル
   で指定された寸法指定領域にのみ電子線束を走
   査させる信号を出力しこれにより上記走査型電
   子顕微鏡本体部から出力された画像信号に基づ
   いて増幅率を設定して上記画像信号のレベルを
   調整する画像信号調整部。