JPS60233508A

JPS60233508A - 寸法測定装置

Info

Publication number: JPS60233508A
Application number: JP8845584A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Kano; 加納　正明; Hiroshi Yamaji; 山地　廣; Motosuke Miyoshi; 元介三好
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-05-04
Filing date: 1984-05-04
Publication date: 1985-11-20
Also published as: JPH0444925B2

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】〔発明の技術分野〕本発明は、たとえば半導体ウェ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、半導体ウェ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、工業用テレビジョン（Ｉ
ＴＶ）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シ、ビーム径を細くして分解能
を向上させた測定法かはとんどであった。さらＫ、走査
派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、画儂上にカーソルを発
生させ、測定者がパターンエツジ部にカ−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
あった。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っている。

しかし、従来の光学的手段では倍率的に制限があシ、そ
の分解能も波長の１／４穆度であｊｏ　、　０．１μｍ
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ったシ、スケールで測定す
る場合には読取シ誤差が、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っていた。

〔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、Ｓ　ＥＭ　（８ｃａｎｎｉｎｇ　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と呼ぶ。）を用
いて、たとえば半導体ウェ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〕

８ＧＭ本体部に寸法測定部を電気的に接続し、まず、８
ＧＭ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８
ＧＭ本体部から出方された寸法：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（８ｃａｎｎｉｎ
ｇ　ｐｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｊｃｒｏｓｃｏｐｅ；以下、
たんに８ＧＭと略記する。）本体部（１）と、この８Ｇ
Ｍ本体部（１）によシ捕捉された特定部分の寸法を測定
する寸法測定部（２）と、画像信号レベルの自動調整を
行う画像信号調整部（２ａ）とからなっている。上記本
体部（１）は、図示せぬ電源によシミ子を放出する電子
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、
基準となるクロック信号Ｐａ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
ロック信号ＰＳに基づいて電子線束（４）をラスク走査
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ッチの設定によシ上記
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Ｃ８１
を出力する倍率切換部（９）と、上記制御信号Ｃ８１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（１１）上に電子線束（４）を照射する対物レン
ズｅｌｌ）と、測定試料（１１から放出される二次電子
を集捉する二次電子検出器αりと、この二次電子検出器
（Ｉりからの信号を増幅する増幅部α罎と、この増幅部
員から出力された画像信号Ｉ８と掃引信号発生部（７）
から出力された掃引信号ＳＳによシ後述するＣ　ＲＴ　
（Ｃａｔｈｏｄｅ　Ｒａｙ　Ｔｕｂｅ）　（４に画像を
表示させるための画像信号増幅器（１Ｇと、図示せぬ載
置台上に保持された測定試料Ｑｌの特定部位の拡大画像
を表示するＣＲＴ（１４）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
のクロック信号Ｐ８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
　ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎ目；中央処理装置）部αｅ
から出力された制御信号Ｃ８２により上記画像信号Ｉ８
を複数の画素（５１２Ｘ　５１２）に分割して画像信号
Ｉｓのレベル（電圧値）をアナログ−ディジタル変換す
るアナログ−ディジタル（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ＤＩ８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ａｌｌと、ＣＲＴ（１４）Ｋ複数のカーソル
を発生させ発生位置をＣＲＴＱ４）上で任意の位置に動
かすことができるカーソル設定部（Ｉｌと、上記ＣＲＴ
（１４）Ｋおけるカーソルの位置を読み取シアドレス化
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（イ）と、カーソルのアドレス
を読み取シ２本のカーソル間の画像信号ＤＩ８を画像信
号記憶部−よシ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部翰と、このＣＰＵ部
（１１における演算結果をディジタル−アナログ（Ｄ／
Ａ　）変換してＣＲＴ（Ｉ、ｊに表示させるＤ／Ａ変換
部Ｑηとから構成されているうさらに、画像信号調整部
（２ａ）は、入力側がＣＰＵ部（ＩＩＫ接続さ畦出力側
が掃引信号発生部（力に接続された電子線束走査制御部
（社）と、入力側がＣＰＵ１（１１及び増幅部ａ３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（ハ）と、このピーク検出部（
２）の出力側に接続され画像信号工Ｓの最大値と最小値
との差がＡ／Ｄ変換部ａηの許容電圧範囲とはぼ等しく
なるように増幅部０の増幅率を最適な状態に設定する信
０号を増幅部α罎に出力する増幅率設定部（２）とから
構成されている。

つぎＫ、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Ｌ８Ｉ等の
パターンが形成された半導体ウエノ・などの測定試料α
１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Ｃ８１によシ走査コイル部（８）にてＸ−Ｙ方向にラ
スタ走査を行い、対物レンズ（１）でさらに縮小して測
定試料α１上に照射される。すると、測定試料四面から
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ａＸ６によυ集捉され電気信号に変換される。こ
の二次電子検出器０邊から出力された電気信号は増幅器
ａ３にて増幅され、画像信号ＩＳとして画像信号増幅器
α９に出力される。この画像信号増幅器−にては、掃引
信号発生部（力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ＣＲＴ（１４）に画像として表
示させる。一方、画像信号Ｉ８は、Ａ／Ｄ変換部ａηに
てＣＰＵ部αｅから出力された制御信号０８２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）
によシ、５１２Ｘ５１２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１）Ｉ
８をＩ８（重、ｊ）（ただし、０≦ｉ、ｊ≦５１１）と
アドレス化する。しかして、画像信号調整部錦にては、
これらアドレスｌ８（ｉ、ｊ）ごとに画像信号ＤＩ８が
記憶される。つぎに、上記した動作で得られたＣＲＴ（
［４上のパターンＰに対して、このパターンＰの幅りを
めるためにカーソル設定部ａ傷を操作して画像信号増幅
器αりにカーソル発生信号に８を出力し、２本のカーフ
ｎ、　（２２ａ）　、　（２２ｂ）をパターｙＰを挾む
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　）　、　（Ｚｉ！ｂ　）の幅Ｗ及
び長さＬはカーソル設定部α優にて調節できる。さらに
、ＣＰＵ部αｅにては、カーソル設定部（１１からカー
ソル位置読取部翰を介して出力されたカーソル発生信号
に８に基づイテ、ｃｉ’ｔ、’ｒａ４上におけるカーフ
　／ｌ／　（ｚ２ａ）。

（２２ｂ）の位置をアドレス化された信号ｌ５（ｉ、ｊ
）（０≦ｉ≦５１１　、　Ｏ≦ｊ≦５１１）に変換する
。つぎに１ＣＰＵ部αｅからは、第３図（ａ）の線分Ｍ
位置のアドレスを示す信号Ｃ８３が電子線走査制御部（
２）に出力される。すると、この電子線走査制御部（２
）からは、線分Ｍに沿ってのみ電子線を走査させるため
の制御信号Ｃ８４が掃引信号発生部（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
よシ測定試料顛上の線分Ｍに沿ってのみ走査される。そ
の結果、第３図（ｂ）に示すような画像信号Ｉ８がピー
ク検出部（ハ）に出力される。このときピーク検出部（
ハ）には信号Ｃ８５がｃｐｗ部Ｑｆｌから出力され作動
状態になっている。このピーク検出部（２）はサンプル
ホールド回路を主構成要素とするものであって、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Δ■を示す信号８Ａが増
幅率設定部（財）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８Ａを入力した
増幅率設定部ｃ１４１にては、第３図（Ｃ）に示すよう
４ＣＡ／Ｄ変換部αηの許容電圧範囲凡の上限よシわず
かに小さい電圧位置に最大ピーク値Ｖｌが位置し、また
許容電圧範囲凡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、画像信号工８を増幅
部ａ１にて増幅するための最適な増幅率を示す信号８Ｂ
が増幅部０に出力される。その結果、信号８Ｂを入力し
た増幅部（１騰にては、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）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αｇからＣＰＵ５（１５に
転送する（第４図ブロック＠）。この１ラインのノイズ
除去を、　ＦＥＴ　（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒ
ａｎｓｆｏｒｍ）法又は積算傾斜変換法を使い行う（第
４図ブロックＨ）。上記ＦＥ’ｌ’法によシノイズ除去
を行う場合は、画像信号記憶部ａ砂から取シ込んだデー
タ（第５図（ａ）参照）をフーリエ変換して（第４図ブ
ロック２９）、周波数解析を行いノイズを除去するため
高周波成分をカットする（第４図ブロック＠）。しかし
て、高周波成分がカッ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図ブロック＠）。この処理に
より、第５図（ｂ）に示すようＫ、ノイズを元の波形か
ら取シ除くことができる。他方、積算傾斜変換法による
場合は、画像信号記憶部０秒から取シ込んだ１ラインの
データ（第６図（ａ）参照）Ｋ関しては、ｊ点目（０≦
」≦５１１）のデータをｆ（ｊ）とすると、Ｏ≦ａ≦５
１１について、５（ａ）　＝、１　ｒ＜ｊ）を計算しＪ
＝Ｑ（第４図ブロック＠）、この積算結果５（ａ）Ｋついて
ｍ点先のデータとの勾配ｇ（ａ）＝　（Ｓ　（ａ　＋ｍ
　）　−５（ａ））７ｍをめる（第４図ブロック＠）。

この処理によシ、元の波形（第６図（ａ）　’）　Ｋ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（Ｚ２ａ　）　、　（２２ｂ　）によシ寸法測
定する判別領域を指定する（第４図ブロック（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シ大き
いととＫよシ識別できる。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６１）
及び最小値（至）をめる（第４図ブロックＣ（Ｓ）。

なお、第７図において、波形（ロ）はノイズ除去前の波
形、波形（至）はノイズ除去後の波形であるｏしかして
、最大値０Ｄと最小値０邊との間において任意に２点（
至）、０７）を選択し、直線近似する範囲を指定する（
第４図ブロック（至））。つぎに、これら２点乾Ｃ１？
）間のデータに対して、最小二乗法にて回帰直線（至）
をめる（第４図ブロック０１）。さらに、最小値Ｃ３擾
と点６′Ｉ）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シ回帰直線（ロ）をめる（第
４図ブロック（６））。つぎに回帰直線（至）。

ρカの交点（４３をめる。同様にして、他方の側縁部に
おける回帰直＄　＋４４）　、　＋４１９をめ、それら
の交点−を算出する（第４図ブロック偵η）。上記交点
１４１゜（７）の位置はＣＲＴ　＋１４１にて表示する
とともに、両者の間隔（画素数）をめ、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図ブロック（４呻）。そうして、カーソル（
２２ａ　）　。

（２２ｂ）が複数の走査線にわたっているときは、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
ック（４Ｉ）。しかして、各ラインについて得られたパ
ターンＰの幅り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図ブロック
（至））。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図ブロック６１）
）。かくして、本実施例の寸法測定装置によれば、例え
ば半導体ノ（ターンなどの微細な測定対象を、０．０１
μｍの高分解能で、高精度かつ自動的にめることができ
る。とりわけ、画像信号調整部（２ａ）にて、画像信号
Ｉ８を最適な信号レベルに自動的に補正するようにして
いるので、Ｓハ（８ｉｇｎａＩ　／　Ｎｏ１ｓｅ　）比
が高くなシ測定精度が向上するという格別の効果を奏す
る。

表お、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度スキャンローテーシ
冒ンすることにより同様の方法で可能となるｏ　”！　
ｋ　、パターン幅の測定に限ることなく、第９図（→に
示すように２本のパターンＰ１．Ｐ２のそれぞれの内部
にカーノル（２２ａ　）　、　（２２ｂ　）を設定して
、第９図（ｂ）に示すような波形６邊より上記実施例と
同様にして、回帰直線（至）、（財）、＠をめこれらの
交点（４）、６？）よシバターンＰｌ、Ｐ２の間隔をめ
ることもできる。さらに、第１０図（ａ）に示すパター
ンＰ３．Ｐ４のピッチもめることができる。すなわち、
カーフｈ　（２２ａ　）　、　（２２ｂ　）でバｌ−：
ｙＰ３Ｏ左Ｃ右）側縁部をはさみ、カーソル（２２ｃ　
）　、　（２２ｄ　）でパターンＰ４の左Ｇ１５）側縁
部をはさむ。しかして、上記実施例と同様にして、第１
０図（ｂ）に示す波形（５８）よシ回帰直線（５９）、
（６０）、　（６１）、（６２）をめたのち、これらの
交点（６３）、（６４）よりパターンＰ３　、Ｐ４のピ
ッチをめることができる。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シノイズの除去を行
ったが複数画素の平均化又は複数画面の加算によ）ノイ
ズ除去を行ってもよい。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Ｋ、パターンの縁部（エツジ）をめ
る方法としては、上記実施例のように回帰直線の交点か
らめる方法に限ることなく、たとえば、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（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
（６６）、（６７）を得、仁の積算曲線（６６）、（６
７）の変曲点（６））、（６９）よシバターン幅Ｄ２を
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ＱｌとしてＬＳＩ用の半導体ウェハを用いて
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、ＳＥＮ本体部に、この８１Ｍ
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、異なった測定試料による信号レベルの変化によ
っ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、読み取シ誤差が解消
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。したがって、本発明の
寸法測定装置をＬ８Ｉ、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
の信頼性をもっ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（→、　（ｂ）　、
　（Ｃ）はＣＲ，Ｔにおけるカーフ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ャート、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）・・・８ＥＭ本体部、（２ａ）・・・画像信号調
整部、（２）・・・寸法測定部、　（４）・・・電子線
束、（ＩＱ・・・測定試料、　（１４１・・・ＣＲＴ　
（表示部）、αｅ・・・ＣＰＵ部（演算制御部）。錦・・画像信号記憶部、翰・・・カーソル設定部、（２
２ａ　）　、　（２２ｂ　）−カーソル。第２図第３図第５図第６図第７図第９図第１Ｏ図

Claims

【特許請求の範囲】

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と、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、上記カーソルによシ指定され
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
、上記走査型電子顕微鏡本体部に上記カーソルで指示さ
れた寸法測定領域にのみ電子線束を走査させる信号を出
力しこれによシ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とを具備することを
特徴とする寸法測定部。