JPS6180011A - 寸法測定装置 - 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】 〔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ｆｒ？に関
する。

〔発明の技術的背景とその間１．１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、工業用テレビシコン（ＩＴＶ）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、ビーム匝を細くして分解能を向上させた測定法が
ほとんどであった。さらに、走査型電子顕微鏡を用いて
得られた拡大画ｒ象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、あるいは画数を複枚の画
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
ようになちている。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４程度であり、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
全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←〃度の測定が困難とよってい
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、走葭型
市子頑政境（以下、ＳＥＭ　（８ｃａｎｎｉｎｆ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｎｐｆ４１　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〕

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ＳＢＭ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、実施列に基づいて詳述
する。

第１図ノ・ま、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（Ｓｃａｎｎ
ｉｎｌＦ　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）とからなっている。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、基準トなるクロック信号Ｐｓを出方する基準信号発
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８８を発生させる掃引信号発
生部（７）と、図示せＦＡｔ＠率切換スイッチの設定に
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Ｃ８Ｉを出力する倍率切洟部（９）と、上記制御信号
ＣＳｔに基づいて′・程子、腺束（４）の走査方向及び
＠２制画する走査コイル部（８）と、さらをζ電子線束
（４）を縮小し測定試料（国土に１子線束（４）を照対
する対′吻しンズ（１１）と、測定試イ）　（１０）か
ら放出される二次煮干を集泥する二次電子演出器（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
溌引１δ号８８により後述するＣＲＴ（Ｃｎｔｈｏｄｅ
匹ａｙ　Ｔｕｈｅ　）　　（＋４１に両１象を表示させ
るための画像信号増幅’ｔ’ｓ　（１５）と、図示すぬ
裁置台上（こ保持された測定試料（１０）の特定部位の
拡大ｉｉ！ｊ像を表示するＣＲＴ（１４）とから構成さ
れている。一方、寸法測定部（２）は、基準信号発生部
（６）からのクロック信号ｐｓ及び掃引信号発生部（７
）からの掃引信号ＳＳに基づいて制御信号ＳＴ＋、出力
するタイミング制御部（１６）と、このタイミング制御
環部（１６）から出力された制御信号ＳＴによって画像
信号Ｉｓをディジタル値に変換するアナログ−ディンタ
ル（〜勺）変換部（１７）と、このＡ／Ｄ変−１恣部（
１７）から出力されたディジタル値をタイミング１１１
］御部（１６）から出力された制到信号ＳＤＫ基づいて
記憶する表示用画像メモリ部（１８）と、Ａ／Ｄ変換部
（１７）から出力されたディジタルｒＪ　’）タイミン
グ１間両部（１６）から出力５１ｔた制ｔ＋＋ａ信号Ｓ
Ｍに基づいて記憶する測長用１而ｒ象メモリ部（１９）
と、ＣＲＴ　（１４１上に複数のカーソルをＳｇＭ本体
部（１）からの画像又は表示用画像メモリ部（１８）に
記憶され之画慮データに基づく静止画像に重ね合わせて
表示するだめのグラフィック画像メモリ部（２０）と、
このグラフィク画像メモリ部（２０）の入力側にＬ裏祝
されカーソルをいろいろ動かしたりするカーソル設定部
（２１）と、測長用画像メすルＣＰＵ部（２２１ト、ｆ
ｉｌｌ長用画（５１メモリ部（１９）　、表示用向［８
！メモリ部（１８）　、グラフィック画像メモリ部（２
０）のデータをＣＲＴ　（１４）に表示するため各種制
御を行なう表示制御部（２３）と、測長用画１よメモリ
部（１９）　、表示用−１′象メモリ部（ｔＳ）　、グ
ラフィク画像メモリ部（２０）及び表示制御部（２３）
の出力側に接続されディジタルデータをアナログ変換部
てＣ’ＲＴ（１４）に出力、表示する走めのディジタル
−アナログＣＤ／入）変換部（２４）、、より構成され
ている。そして、上記表示栢御部（２０）は、画＋ｙ　
（ｒｙ号増幅器（１５）にも接続ご′ル、表示用向り失
メモＩＪ　ｔ’ｉ３　（１８１において記憶されでいる
画像データをＣ几’Ｉ’（１４）にて畏示さぜる制御信
号ＭＡを出力するようになっている。

つぎに、Ｆ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、ＳＢＭ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ェハなどの測定試料（１
０）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
集泥され電気信号に変換される。この二次電子検出器（
１２）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ＣＲＴ（１４）に画ｆ象とし
て表示させる。一方、画像信号Ｉｓは、タイミング制御
部（１６）より出力された信号ＳＴによって、人／Ｄ　
’＆喚部（１７）にてＡ／Ｄ　ｆ遺され、まず、表示用
画像メモリ部（１８）に、１画面分格納される。表示用
画像メモリ部（１８）は、例えば第２図に示すように、
５１２Ｘ５１２Ｘ８ビット程度の容重を持って、いる。

格納され、とデータは、表示制御部（２３）の信号ＭＣ
，ＭＤによって、Ｄ／Ａ変遺部（２４）によって、アナ
ログ信号に変換され、制御信号Ｍ入によってＣＲ，Ｔ（
１４）で静止画１′りとして表示される。つき゛に、表
示されたパターンＰ１こ対し、カーノル設定部（２１）
を１・盾乍して、信号ＫＳ、’、７グラフイク画像メモ
リ１″；Ｉｓ　（２０）及びＤ／入突変換部２４）全弁
してＣＲＴ（１４）に出力し、２本のカーソル（２５ａ
）、　（２５ｂ）で、パターンＰをはさむ様に設定する
（第３図参照）。

この時、カーソル（２５ａ１．　（２５ｂ）の位代は、
カーソル設定部（２１）より出力された信号ＫＳで、グ
ラフィック画ｒ象メモリ部（２０日こ、生き込まれ、表
示用画像メモリ部（１８）と完全に重ね合わさって表示
される。−η、ＣＰＵ部（２２）は、グラフィク画像メ
モリ部（２０）より、カーソル（２５ａ）、　（２５ｂ
）のアドレスデータをルシみ取り、そのアドレスデータ
を信号８Ａで、掃引信号発生部（７）に送る。掃引信号
発生部（７）は、カーソル（２５ａ）、　（２５ｂｌで
指定された領域のみ電子線束（４）を走査する。今回も
同様に、画像信号Ｉｓを、Ｎ／Ｄ／換部（ｌ力でディジ
タル値に変換し　（ｊｉｌｌ長用画像メモリ部（１９）
に格納する。この測長用画像メモリ部（１９）にては、
−走査線について、表示用画像メモリ部（１８）に比べ
、数倍〜数十倍の密度でデータを格納する。例えば、１
走査線あたり、　２０４８　点程度収集する。しかし、
全両面にわＩヒってデータ収集するわけでなく、カーソ
ル（２５ａ）、　（２５ｂ）で指定した任意の場所のみ
である。しかして、カーソル（２５ａ）、　（２５ｂ）
で指定した部分の画１′！データを、順次、測長用画像
メモリ部（１９）に格納していくが、通常、Ｓ／Ｎ　（
Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏ１ｓｅ）比の悪い信号に゛ついては
、積算処理を行なう（第４図ブロック（２６）、　（２
７））。これは、同じ場所をくり返し走査し、同一点の
データを順次加算していき、最終的に、積算回数で除′
σ等を行なって規４“ｈ化する方法でする。一方、ＳＺ
Ｎ比の良い信号については、清算処理を行なわず、１回
のサンプリングで終ｒする（第４図ブロック（２６）ｌ
。つぎに、ノイズ除去を行なう（第４図ブロック（２８
）　）。ノイズ除去法として、平滑化処理法（−Ｊ４図
ブロック（２９＞　１とＦＦＴ　（Ｆ’ａｓｔ　Ｆｏｕ
ｒｉｅｒ工ｒａｎｓｆｏｒｍ）法を使う。

上記ＦＦＴ法によりノイズ除去を行う場合は、測長用画
像メモリ部（１９１から取り込んだデータ（第５図（、
）参照）をフーリエ定置しく第４図ブロック（３０１１
、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（３１）　）。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（３２）　）。

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。他方平滑化処理法
は、１ラインのデータ（０＜　ｊ　＜　ｎ　ｌの任意の
点の前後のデータ数点に、係数を東算し、その積を加算
し、係紋の和で除算して、規格化することによっＣ１そ
の任意の点を求める方法である。すなわち、ｋ画素平滑
化を考えた場合、ｊ番目のデータをｄ（ｊ）　とすると
、ｄ　（ｊ）のｉｆｆ後に点のデータに対し、係数ａＨ
（０’−ｉ≦ｋ）をそれぞれ乗算し、その総和をとり、
係数の和で除算し規格化することによって、ｄ（ｊ）の
値を求めなおす方法である。

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（２５ａ）、　（２５ｂ）により寸法測定する判別
領域を指定する（第４図ブロック（３３）　）。

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、ｉ７
図及び第８図に示す一方の側縁部における最大値（５１
）及び最小値（５２）を求める（第４図ブロック（３４
）　）。しかして、最大値（５１）と最小ｆａ　（５２
）との間において任意に２点（５６）、　（５７）を選
択し、直線近似する範囲を指定する（第４図ブロック（
３５）　）。つぎに、これら２点（５６）、　（５７）
間のデータに対して、最小二乗法にて　回・倚直線（５
９）を求める（・窮４図ブロック（３６１）。さらに、
最小値（５２）と点（５７）との間のデータすなわち平
坦な部分のデータの平均を求め、基底部の平均レベル（
６１）を求める（第４図ブロック（３７）　）。つぎに
、回帰直線（５９）υよび基ノ底；３３の平均レベル（
６１）の交点（３，３１ｋ求める。同様にして、他方の
側線部における回帰直線（７４）νよび基底部の平均レ
ベル（７５）を求め、そ在らの交点（７６）を４出する
（第４図ブロック（３８１）。Ｆ記交点（５３Ｌ　（７
Ｇ）の位１１１はＣＲＴ（１４）にて表示するとともに
、両者の間隔（画素数）を求め、倍率切４泉部（９）で
決められた１１Ｘｉｉｉ素当りの寸法ケ乗ｊＪｌ、、寸
法に変喚する（第４図ブロック（３９）　）。そうし゛
で、刀−ンル（２５ａ）、　（２５＋））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
理を燥返して行う（７点４図ブロック（４ｒＪｌ　）。

しかして、各ラインにりいて得られたパターンＰの幅り
を示す寸１去に暴づいて、各種統計処理たとえば平均（
直■算、標準刊差演′ＪＴ、七行う（Ｚ４図ブロック（
４１）　ｌ。最後に、これらの（＊ｆ享結呆をモニタ、
プリンタ等の表示部で表示、記録する（第４図ブロック
（４２）　）。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、商精度か゛り自動的に求め
ることができるうなお、上記実施例においては、虜方向
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゛べ子線束の走査方向を９０Ｐ
：。

スキャンローテーン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（１）に示すように２本のパターンＰ、　、　Ｐ、
のそれぞれの内部にカーソル（２５ｓ１．　（２５ｂ）
を設定して、第９図（ｂ）に示すような波形（８２）よ
り上記実施例と同様にして、回帰直線（８３）　、　（
８４）および、基底部の平均レベル（８５）を求め、こ
れらの交点（８６）、　（８７）よりパターンＰ、、Ｐ
２の間隔を求めることもできる。さらに、第１０図（、
）に示すパターンｐ、　ｌ　ｐ４のピッチも求めること
ができる。すなわち、カーソル（２５ａ）、　（２５ｂ
）でパターンＰ、の左（右）側縁部をはさみ、カーソル
（２５ｃ）、　（２５ｄｌでパターンへの左（右）　１
ｌｔ１１縁部？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（８８）より回帰直線
（８９）、　（９１１および基底部の平均レベル（９０
）、　（９２）を求めたのち、これらの交点（９３）、
　（９４）よりパターンＰ、　、　Ｐ、のピッチを求め
ることができる。さらにまた、上記実施列（こおいては
、測定試料（１０）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。また、表示
用画１噴メモリ部（１８）にデータ格納の場合は、′電
子線束の走査速度をはやくシ、測長用画像メモリ部（１
９）にデータと格納する場合は、できるだけへ比のよ（
ハ信号をとり込むために、走査速度をおそくしても良い
。

〔発明の効果〕

本発明の寸法測定装置は、ＳＥＭ本体に、このＳＢＭ本
体から出力された画１逮浦号に基づいて測定試料の特定
都立の寸法測定を自動的に行９寸法測定部を連設したの
で、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。

したがって、本発明の寸法測定装置をＬＳ　Ｉ、超ＬＳ
Ｉ等の半導体製造プロセスに】を用した場合、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、高集清化のため
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（家信号
の両案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
は信号を示すグラフ、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１０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）：　１Ｍ本体部、　（２）：寸去四定部、（４）
：電子線束、　（１０）　：　（ｔｉｌｌ定試料、（１
４）　：　ＣＲＴ　（表示部）、（１８１：表示用何１
タメモリ部、（１９）：測長用画家メモリ部、 （２１）　：カーノル設定部、 （２２）　：　ＣＰＵ部（演算制御胛部）、（２５ａ）
、　（２５ｂｌ　：カーノルっ代し！Ｐ人　弁理士　則
　近　、壺　佑（ほか１名） 第２図 ｊＩ３１！１ ＠　４　図 第５図 第６図 第　７　図 第８図 距盲Ｗ 第９囚 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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ための信号
   を出力するカーソル設定部と、上記画像信号を画像デー
   タとして記録しこの記憶した画像データに基づいて上記
   表示部に上記パターンの静止画像を表示させる表示用画
   像メモリ部と、上記カーソルにより指示された上記寸法
   測定領域について上記表示用画像メモリに記憶されてい
   る画像データよりも細分比された画像データを記憶する
   測長用画像メモリ部と、この測長用画像メモリ部に記憶
   されている画像データに基づき上記パターンの縁部を決
   定し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。