JPH0445045B2 - - 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、
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するとともに、寸法
測定部に校正値設定部を設けて校正値を記憶さ
せ、この校正値に基づいて寸法算出するようにし
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
CS1を出力する倍率切換部９と、上記制御信号
CS1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
電子を集捉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（Ｃthode Ｒay Ｔube）１
４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CPU（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
−デイジタル変換するアナログ−デイジタル
（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１
８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、CPU部１６及び画像信号記憶部
１８に電気的に接続されこのCPU部１６におけ
る演算結果をデイジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変
換してCRT１４に表示させるＤ／Ａ変換部２１
と、倍率切換部９及びCPU部１６に電気的に接
続され校正値データを求め記憶する校正値設定部
１６ａと、CPU部１６に接続され校正データと
なる寸法を設定しCPU部１６に出力するための
校正寸法データ設定手段としての外部スイツチ１
６ｂとから構成されている。この校正値設定部１
６ａは、CPU部１６に校正値データを出力し、
このCPU部１６にて求められたパターン寸法を
校正するようになつている。

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の載置台にえばLSI等のパ
ターン寸法が確定している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CS1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、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
とともに、CRT１４にて静止画像として表示さ
れる（第３図参照）。ついで、CRT１４にて表示
されているパターンＰの端縁部に２本のカーソル
２２ａ，２２ｂがぴつり重なるようにカーソル設
定部１６を操作する。このとき外部スイツチ１６
ｂにパターンＰの既知の幅データを設定してお
く。しかして、カーソル位置読取部２０にては、
カーソル２２ａ，２２ｂの位置を示すアドレスが
読み取られCPU部１６に出力される。このCPU
部１６にては、カーソル位置読取部２０から出力
されたカーソル２２ａ，２２ｂのアドレス・デー
タに基づきカーソル２２ａ，２２ｂ間隔を算出す
る。このカーソル２２ａ，２２ｂ間隔は、画素数
又はクロツクパルス数で表示されている。つい
で、このカーソル２２ａ，２２ｂ間隔で外部スイ
ツチ１６ｂから出力された幅データを除算する。
かくして、１画素当り又は１クロツクパルス当り
の校正値が求められる。求められた校正値は、校
正値設定部１６ａにて記憶される。つぎに、倍率
切換部９を操作して倍率を切換えることにより、
上述の手順で、異なる倍率における校正値を校正
値設定部１６ａに記憶させる。つぎに、新たにパ
ターン寸法が未知の測定試料１０を載置台上に載
置し、上記した動作で得られたCRT１４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を挾む
ような位置に移動させる（第３図参照）。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１９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。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、必要な場合は、FET（Ｆast Ｆourier
Ｔransform）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２５）、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から取り込ん
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=0 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点先のデータとの勾配ｇ(a)＝（ｓ（ａ＋
ｍ）−ｓ(a)）／ｍを求める（第４図ブロツク２
９）。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、上記に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２２ａ，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
示す一方の測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３３）。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４
０）。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を求める（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４３，４
６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、校正値設定部１６ａ
に記憶されている当該倍率における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５１）。

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、あらかじめ１画素当
りの寸法値を校正することにより寸法測定するよ
うにしているので、測定精度が顕著に向上すると
いう格別の結果を奏する。

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操作方向を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２２ａ，
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５
９，６０，６１，６２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、FET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素の
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、パターンの縁部（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、とたえば、第１１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２２
ａ，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６６，６７を
得、この積算曲線６６，６７の変曲点６８，６９
よりパターン幅D₈を求めることもできる。さら
にまた、校正値設定部１６ａを分設することな
く、CPU部１６にてすべての校正処理を行うよ
うにしてもよい。上記実施例においては、測定試
料１０として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、各倍率ごとに１画素
当り又は１クロツクパルス当りの寸法値を示す校
正値をあらかじめ算出・記憶して寸法測定を行う
もので従来に比べ、校正が容易に行なえ、0.01μ
ｍ以下の高分解能で、高精度かつ迅速に精密寸法
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
かつ高度の信頼性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
に多大の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
図はCRTにおけるカーソルの設定を示す図、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１
１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、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）、１６
ａ……校正値設定部、１８……画像信号記憶部、
１９……カーソル設定部、２０……カーソル位置
読取部、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) 寸法測定されるパターンが形成された測定試
   料に電子線を走査し上記パターンを示す画像信
   号を出力するとともに、表示部を有しこの表示
   部に上記パターンの画像を表示させる走査型電
   子顕微鏡本体部。 (ロ) 上記表示部に上記パターンの寸法測定領域を
   指定する互に平行な一対のカーソルを表示させ
   る信号を出力するカーソル設定部と、このカー
   ソル設定部から出力された信号に基づいて上記
   カーソルの位置を示す信号を出力するカーソル
   位置読取部と、上記画像信号をデイジタル化さ
   れた画像データとして記憶する画像信号記憶部
   と、上記測定試料のパターン寸法を校正するた
   めの寸法データを設定する校正寸法データ設定
   手段と、上記カーソル位置読取部から出力され
   た上記カーソルの位置を示す信号及び上記校正
   寸法データ設定手段にて設定された校正するた
   めの寸法データに基いて測定単位当りの校正寸
   法値を求め格納する校正値設定部と、この校正
   値設定部に格納されている校正寸法値に基づい
   て上記画像信号記憶部に記憶されている画像デ
   ータにより上記パターンの寸法を算出する演算
   制御部とを有する寸法測定部。