JPH09304023A - 試料の寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は測定部分の形状や測定方向が任
意であってもその部分の寸法測定を正確に行うのに適し
た試料の寸法測定装置を提供することにある。 【解決手段】形状寸法測定に先立ち、測定部分に対応し
た測定用参照画像をコンピュ−タおよび制御装置１８に
予め登録しておく。形状寸法測定に際し、測定用参照画
像を読み出し、測定部分の画像と測定用参照画像を照合
し、照合結果から測定部分の画像と測定用参照画像の形
状差を求め、この形状差から被測定個所の寸法を求め
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料の寸法測定装
置、特に半導体デバイス、磁気記憶デバイス、撮像デバ
イス、表示デバイスなどの製造において、デバイスパタ
−ンの寸法測定を行うのに適した試料の寸法測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明で対象としている試料の寸法測定
装置の主なものとしては、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ、
特に測長ＳＥＭ)、レ−ザ顕微鏡、ｉ線顕微鏡、走査型
原子間力顕微鏡およびレ−ザフォ−カス顕微鏡などがあ
る。代表的な応用分野として、半導体製造に例を採って
説明する。半導体製造においては、パタ−ンの寸法測定
に、測長ＳＥＭが広く用いられている。以下、測長ＳＥ
Ｍの例を説明する。

【０００３】図１は測長ＳＥＭの基本的な原理と構成を
示すものである。電子銃１から放出された電子ビ−ム２
は収束レンズ３および対物レンズ４によって細く絞ら
れ、試料であるウェハ５の面上に焦点を結ぶ。同時に、
電子ビ−ム２は偏向器６によって軌道を曲げられ、ウェ
ハ５の面上を二次元走査する。一方、電子ビ−ム２で照
射されたウェハ部分からは二次電子７が放出される。こ
れらの二次電子は二次電子検出器８によって検出されて
電気信号に変換され、該電気信号はＡ／Ｄ変換器９によ
ってＡ／Ｄ変換されて画像メモリ１０に記憶され、この
記憶された信号は画像処理装置１１による処理を受けて
ディスプレイ１２を輝度変調するのに用いられる。ディ
スプレイ１２は電子ビ−ム２のウェハ面上走査と同期し
て走査されているので、ディスプレイ上には試料像(Ｓ
ＥＭ像)が形成される。

【０００４】パタ−ン形状は測長ＳＥＭを用いて、例え
ば、次のような手順で検査される。

【０００５】ウェハカセット１３から取り出された被測
定ウェハの一枚５はウェハのオリエンテ−ションフラッ
トやノッチなどを基準としてプリアライメントされる。
プリアライメント後、ウェハ５は真空に保持された試料
室１４内のＸＹステ−ジ１５上に搬送され、搭載され
る。ＸＹステ−ジ１５上に装填されたウェハ５は試料室
１４の上部に装着された光学顕微鏡１６を用いてウェハ
アライメントされる。具体的には、光学顕微鏡１６によ
る像信号はＡ／Ｄ変換器１７によってＡ／Ｄ変換されて
画像メモリ１０に記憶され、この記憶された信号は画像
処理装置１１を介してディスプレイ１２に導かれ、これ
により光学顕微鏡像はディスプレイ１２に表示される。
ウェハアライメントには、ウェハ５上に形成されたアラ
イメントパタ−ンが使われる。数百倍程度に拡大された
アライメントパタ−ンの光学顕微鏡像視野は予め登録さ
れているアライメントパタ−ン参照用画像の視野と比較
され、両画像の視野が丁度重なるようにステ−ジ位置座
標を補正する。アライメント後、ウェハを所望の測定点
にステ−ジ移動する。測定点に移動した後、走査電子ビ
−ムを照射し、測定部分のＳＥＭ像を形成する。このＳ
ＥＭ像を処理し、測定部分のラインプロファイルから指
定部分のパタ−ン寸法を求める。

【０００６】なお、画像信号の記憶／読み出し、画像信
号処理等の制御はコンピュ−タおよび制御装置１８によ
って行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】パタ−ンが微細かつ高
密度になるにしたがって、直線状のラインパタ−ンや真
円のホ−ルパタ−ンだけではなく、不規則な曲線形状の
パタ−ン寸法を測定するニ−ズが増加してきている。こ
のことは測定指定個所の正確な位置決めを困難にすると
共に、斜め形状を斜め方向で測定したいという要求をも
たらす。

【０００８】本発明の目的は測定部分の形状や測定方向
が任意であってもその部分の寸法測定を正確に行うのに
適した試料の寸法測定装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、試料の測定部
分の画像を形成し、該画像をもとにして前記試料の測定
部分の寸法を測定する試料の寸法測定装置において、前
記測定部分に対応する測定用参照画像を予め登録してお
き、該登録した測定用参照画像を読み出してこれと前記
測定部分の画像とを照合し、該照合の結果から前記測定
部分の画像と前記測定用参照画像との形状差を求め、該
形状差をもとにして前記測定部分の寸法を求めることを
特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明にもとづく試料の寸法測定
装置のハ−ドウエアに関しては、これは図１のそれと同
じであるので、ここで繰り返し説明することは避ける。

【００１１】本発明による操作手順の例を図２に示す。
ウェハカセット１０から取り出された被測定ウェハの一
枚５はウェハに形成されたオリエンテ−ションフラット
やノッチなどを用いてプリアライメントされる（Ｓ
１）。プリアライメント後、ウェハ上に形成されたウェ
ハ番号が図示されていないウェハ番号読み取り器によっ
て読み取られる（Ｓ２）。ウェハ番号は各ウェハに固有
のものである。読み取られたウェハ番号をキ−にして、
予めコンピュ−タおよび制御装置１８に登録されてい
た、このウェハに対応する作業指示情報(レシピ)が読み
出される（Ｓ２）。レシピはこのウェハを測定するため
の手順や条件を定めたものである。以降の操作は、この
レシピにしたがって、自動的あるいは半自動的に行われ
る。

【００１２】レシピが読み出された後、ウェハ５は真空
に保持された試料室１１内のＸＹステ−ジ１５上に搬送
され、搭載される（Ｓ３）。ＸＹステ−ジ１５上に装填
されたウェハ５は試料室１４の上面に装着された光学顕
微鏡１３を用いてウェハアライメントされる（Ｓ４）。
ウェハアライメントはＸＹステ−ジの位置座標系とウェ
ハ上のパタ−ン位置座標系との補正を行うものであり、
ウェハ５上に形成されたアライメントパタ−ンを用いて
行われる。アライメントパタ−ンの、数百倍程度に拡大
された光学顕微鏡像は、レシピに付属して予めコンピュ
−タおよび制御装置１８に登録されているウェハアライ
メント用参照画像と比較され、光学顕微鏡像の視野がウ
ェハアライメント用参照画像の視野と丁度重なるように
ステ−ジ位置座標が補正される。

【００１３】ウェハアライメント後、このウェハに対応
したウェハマップが読み出され、ディスプレイ上に表示
される（Ｓ５）。ウェハマップには、このウェハの所要
測定点とプロセス処理状況、プロセスＱＣ（ＰＱＣ）結
果などの来歴が示されている。操作者はウェハマップ上
に示された測定点の中から測定したい点を指定する（Ｓ
６）。この指定された測定点の座標はコンピュ−タおよ
び制御装置１８に登録される。登録された測定点の座標
は読み出され、ウエハ５は、その測定部分が電子ビ−ム
直下に来るようにステ−ジ移動により移動される（Ｓ
７）。移動後、走査電子ビ−ムが測定部分上に照射さ
れ、比較的低倍率でのＳＥＭ像が形成される。この低倍
率ＳＥＭ像は、アライメント操作と同様の手法を用い
て、測定パタ−ンの位置決めに使われる。低倍率ＳＥＭ
像は、画像メモリ１０に予め登録されていた、測定部分
に対応する測定パタ−ン位置決め用参照ＳＥＭ画像と照
合され、ＳＥＭ像視野が測定パタ−ン位置決め用参照Ｓ
ＥＭ画像の視野と一致するように、電子ビ−ムの走査領
域が微調整される（Ｓ８）。位置決めされたウェハは測
定部分に位置する被測定パタ−ンがほぼディスプレイ画
面中央すなわち電子ビ−ム直下に位置する。

【００１４】この状態で、測定パタ−ンの高倍率ＳＥＭ
像が形成される（Ｓ９）。高倍率ＳＥＭ像形成後，レシ
ピに付属してコンピュ−タおよび制御装置１８に登録さ
れている、この測定パタ−ンに対応した測定用参照ＳＥ
Ｍ画像が読み出され（Ｓ）、測定パタ−ンＳＥＭ像と測
定用参照ＳＥＭ画像との形状照合、形状差検出が行われ
る（Ｓ１０）。形状は後述のような方法で規定されるも
のである。そして、検出した形状差から測定パタ−ン内
指定個所のパタ−ン寸法が計測される（Ｓ１１）。寸法
測定結果は、予めコンピュ−タおよび制御装置１８に登
録されている判定基準と突き合わされ、異常の有無が判
定される（Ｓ１２）。判定後、ウェハマップを再度ディ
スプレイ上に表示する。そして、ウェハマップの指定測
定点上に、異常有無の判定結果を表示し、測定結果のデ
−タベ−スへの登録と、必要に応じて測定パタ−ンＳＥ
Ｍ像の画像ファイルへの登録を行う（Ｓ１３）。

【００１５】このようにして一測定個所の作業が終わ
る。さらに測定したい個所が残っていれば、ウェハマッ
プ上で新しい測定点を指定し、図２中、ステップ（Ｓ
６）以降の操作を繰返して行う。

【００１６】このようにして一枚のウェハの測定作業が
終わる。ウェハカセットの中に複数の被測定ウェハが残
っている場合には、次のウェハをウェハカセットから取
り出した後、図２の操作手順にしたがって、繰返し同様
の作業を行う。

【００１７】ＳＥＭ像は画素毎の輝度の変化で表され
る。輝度をデジタル化し、階調で表すと、パタ−ンを等
高線で表した地図上の山に擬えることができる。これに
着目して、パタ−ン形状の決め方は、例えば、次のよう
にして行われる。

【００１８】（１）ピ−クあるいはボトムの階調レベル
が作る等高線で形状を規定する。

【００１９】（２）特定の階調レベルを指定し、このレ
ベルで決められる等高線で形状を規定する。

【００２０】（３）階調変化を最大傾斜線あるいは近似
直線などで表し、この直線がグランドレベルとなす交線
で形状を規定する。

【００２１】（４）測定パタ−ンの階調変化のプロファ
イルを測定用参照ＳＥＭ画像のそれと突き合わせ、両プ
ロファイルの形が最も良く一致するところを形状の比較
線とする。輝度のデジタル化に際しては、輝度およびコ
ントラストなどの画像パラメ−タが、測定部分のＳＥＭ
像および測定用参照画像それぞれについて独立して変更
できるようにされている。

【００２２】一枚のＳＥＭ像に複数の測定用参照画像を
対応させることもできる。２枚の測定用参照画像を用い
ることにより、例えば図３に示すように、上限、下限の
限度形状の指定が可能となる。

【００２３】形状差の検出すなわちパタ−ン寸法の測定
は、例えば、次のようにして行われる。ＳＥＭ像を指定
個所の示す方向に移動し、形状が測定用参照ＳＥＭ画像
のそれと接するまでの移動距離から、ＳＥＭ像の指定個
所の寸法あるいは測定用参照ＳＥＭ画像との寸法差を計
測する。また、図３に示すように、一枚のＳＥＭ像に複
数個所の測定を指示することもできる。

【００２４】ここでは、操作者がウェハマップに表示さ
れた測定点の中から希望個所を指定し、マニュアルで測
定する方法を示したが、レシピで指定された測定点に機
械的に移動し、測定、判定作業を自動で繰り返すことも
可能である。

【００２５】異常の有無判定基準をコンピュ−タおよび
制御装置１８に予め登録しておき、これにもとづいて、
形状寸法測定結果の異常の有無を自動的に判定し、操作
者などにアラ−ムを出すことも可能である。

【００２６】参照用画像は、測定作業の中で新規に登録
したり、登録し直すこともできる。ここでは、参照用画
像として、測定作業前にコンピュ−タおよび制御装置１
８に予め登録されていた像を用いたが、例えば、予め登
録されていた測定用参照ＳＥＭ画像の輝度やコントラス
トが、測定パタ−ンＳＥＭ像のそれ等とはあまりにもか
け離れているような場合には、近隣のチップあるいは近
隣のセルの同一パタ−ン部の像を測定用参照ＳＥＭ画像
として、測定作業中に繰返し登録し直していくことも可
能である。

【００２７】電子ビ−ムやイオンビ−ムなどの荷電粒子
線を用いた場合，チャ−ジアップが飽和するまでに時間
を要する試料については、荷電粒子線を所定の時間照射
し、チャ−ジアップを飽和させた後、計測に用いるＳＥ
Ｍ像を取り込むようにすると良い。

【００２８】ここでは、低倍率ＳＥＭ像でアライメント
した後、高倍率ＳＥＭ像で測定パタ−ンを位置決めする
方法を示したが、代りに、アライメントなしで直接指定
測定点を高倍率ＳＥＭ像で探しにいき、測定部分を発見
できないときには、周辺をサ−チできる機能を持たせる
ようにしても良い。

【００２９】ここでは、ＸＹステ−ジを用いたが、ＸＹ
ステ−ジの代りに、ＸＹＴ（Ｔは傾斜を意味する）ステ
−ジを用いれば、，試料を傾斜した状態での形状寸法測
定ができる。

【００３０】ここでは、像形成に電子ビ−ムを用いた
が、代りに、イオンビ−ムや光ビ−ム、あるいはメカニ
カルプロ−ブなどを用いても良い。

【００３１】ここでは、一プロ−ブ一画素の場合を示し
たが、マルチプロ−ブやマルチ画素で画像を形成する方
式であっても構わない。

【００３２】ここでは、走査画像を用いたが、代りに、
結像光学系によって形成された投影画像を対象とするこ
とも可能である。

【００３３】ここでは、半導体ウェハを観察する場合に
ついて示したが、代りに、撮像デバイスや表示デバイス
用のウェハであってもよいし、ウェハ以外の試料形状で
あっても構わない。

【００３４】異常の説明から、参照用画像のパタ−ン形
状と比較することによって、測定指定個所の正確な位置
決めが可能となることがわかる。また、パタ−ン形状差
から寸法を求めるため、任意形状、任意方向のパタ−ン
寸法を求めることが容易となることもわかる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、測定部分の形状や測定
方向が任意であってもその部分の寸法測定を正確に行う
のに適した試料の寸法測定装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明および従来例を説明するための測長ＳＥ
Ｍの概念図。

【図２】本発明にもとづく試料の寸法測定装置における
一例としての寸法測定フロ−図。

【図３】一枚のＳＥＭ像に２枚の測定用参照画像を対応
させ２個所の測定を指示する例を説明するための図。

【符号の説明】

１：電子銃、２：電子ビ−ム、３：収束レンズ、４：対
物レンズ、５：ウェハ（試料）、６：偏向コイル、７：
二次電子、８：二次電子検出器、９、１７：Ａ／Ｄ変換
器、１０：画像メモリ、１１：画像処理装置、１２：デ
ィスプレイ、１３：ウェハカセット、１４：試料室、１
５：ＸＹステ−ジ、１６：光学顕微鏡、１７：Ａ／Ｄ変
換器、１８：コンピュ−タおよび制御装置。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料の測定部分の画像を形成し、該画像を
   もとにして前記試料の測定部分の寸法を測定する試料の
   寸法測定装置において、前記測定部分に対応する測定用
   参照画像を予め登録しておき、該登録した測定用参照画
   像を読み出してこれと前記測定部分の画像とを照合し、
   該照合の結果から前記測定部分の画像と前記測定用参照
   画像との形状差を求め、該形状差をもとにして前記測定
   部分の寸法を求めることを特徴とする試料の寸法測定装
   置。
2. 【請求項２】前記測定部分の画像及び前記測定用参照画
   像の画像パラメ−タをそれぞれ独立して変更し得るよう
   にしたことを特徴都する請求項１に記載された試料の寸
   法測定装置。
3. 【請求項３】前記測定部分の画像に対して照合する前記
   測定用画像は複数個あることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載された試料の寸法測定装置。
4. 【請求項４】前記測定用参照画像を前記寸法測定時にお
   いて再登録し得るようにしたことを特徴とする請求項
   １、２又は３に記載された試料の寸法測定装置。
5. 【請求項５】測定作業を遂行のための作業指示情報を予
   め登録しておき、前記試料上に形成された試料番号を読
   み取り、該読み取られた試料番号をキ−として前記作業
   指示情報を読み出し、該読み出された作業指示情報にも
   とづいて前記測定作業を遂行するようにしたことを特徴
   とする請求項１〜４のいずれかに記載された試料の寸法
   測定装置。
6. 【請求項６】前記寸法測定に先立って、前記試料をプリ
   アライメントし、さらに、前記試料のアライメント用参
   照画像を予め登録しておき、前記試料の、前記アライメ
   ント用参照画像に対応するアライメント画像を形成し、
   該アライメント画像を前記アライメント参照画像と照合
   し、一致させることによって前記試料のアライメントを
   行うことを特徴とする請求項６に記載された試料の寸法
   測定装置。
7. 【請求項７】前記試料の測定部分を指定してその指定さ
   れた測定部分を測定位置に移動し、その測定部分に対応
   する測定位置決め用参照画像を予め登録しておき、前記
   測定部分の、前記形成された画像よりも低倍率の画像を
   形成し、該低倍率の画像と前記測定位置決め用参照画像
   を照合することによって前記前記測定部分を視野中心に
   位置決めすることを特徴とする請求項６に記載された試
   料の寸法測定装置。
8. 【請求項８】異常の有無判定基準を予め登録しておき、
   該基準にもとづいて、前記寸法測定結果の異常の有無を
   判定し、異常の場合アラ−ムを自動的に発生することを
   特徴とする請求項７に記載された試料の寸法測定装置。
9. 【請求項９】前記試料の測定部分の画像は前記試料を荷
   電粒子線で予め定められた時間照射した後のＳＥＭ像で
   あることを特徴とする請求項８に記載された試料の寸法
   測定装置。