JPS6189508A

JPS6189508A - 寸法測定装置

Info

Publication number: JPS6189508A
Application number: JP20976384A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Furukawa; 古川　寿志; 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: 1984-10-08
Filing date: 1984-10-08
Publication date: 1986-05-07

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、たとえば半導体ウニ／・上に形成された微小
イく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、半導体つエノ・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、工築用テレビジョン（
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わ、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おった。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１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Ｋ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程度であシ、０．１μｍ以下の
分解能を得ることは不可能である。また。

レーザ反射光によシエッ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１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。

走置型電子顕微鏡（以下、　ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ
　ＥｌｅｃｔｒｏｎＭ　１ｃｒｏｓｃｏｐｅ　）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〕

ＳＢＭ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
ぶターンを示す画像信号に基づいて上記パターンの輪郭
を示す縁部を画像信号が上記パターンの縁部の内側と外
側とでレベルが変化していることを利用して、外側を直
線近似し内側を二次曲線に近似して両者の交点を求める
ことにより決定するとともに、求められた複数の縁部間
の距離を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１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１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（Ｓｃａｎｎｉｎ
ｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　；以下
、たんにＳＥＭと略記する。）本体部（１）と、このＳ
ＥＭ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）とからなっている。上記本体部
（１）は１図示せぬ電源により−ａ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ＰＳを出力する基準信号発生部（
６）と、この基準信号発生部（６１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′ｆ、発生させる掃引信号発生
部（７）と１図示せぬ倍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Ｃ８
１を出力する倍率切俣：都（９）と−上記制御信号Ｃ８
１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ＧＯ）上に電子線束（４）を照射する対物レ
ンズ（ｌυと、測定試料０■から放出される二次電子を
集捉する二次電子検出器Ｑ３と、この二次電子検出器（
ｔ２からの信号を環４唱する増幅部α四と、この増幅部
Ｈ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
を表示させるだめの画像信号増幅器霞と。

図示せぬ載置台上に保持された測定試料（１＠の特定部
位の拡大画像を表示するＣ几ＴＱ４）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（Ｃｅ
ｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ　；中央
死理装置）部αｅかも出力された制御信号Ｃ８２によシ
上記画像イｄ号Ｉｓ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ｍするアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ　
）変換部Ｃ１ηと、上記画素ごと［Ａ／Ｄ変換された画
像信号ＤＮＳ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餞と、ＣＲＴ（１４）Ｋ複
数のカーソルを発生させ発生位置をＣＲＴ（１，４ｉ上
で任意の位置に動かすことができるカーソル設定部（１
９と、上記ＣＲＴ（１４）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（イ）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ＤＩ８を画像信号記憶部（Ｉｔ）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ＣＰ
Ｕ部ｔｍと、このＣＰＵ部αｅ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（１４）
に表示させるＤ／Ａ変換部シυ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ェハなどの測定試料α１
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
シ縮小され１倍率切換部（９）から出力された制御信号
Ｃ８Ｉによ）走査コイル部（８）にてＸ−Ｙ方向にラス
タ走をを行い、対物レンズαυでさらに縮小して測定試
料Ｈ上に照射される。すると、測定試料００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
器圓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Ｑ３から出力された電気信号は増幅器０りにて
増幅され、画像信号ＩＳとして画像信号増幅器（１９に
出力される。この画像信号増幅器住９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とを粗分わせてＣＲＴ（１４）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αｅから出力された制御信号Ｃ８２に基づい
てＡ／Ｄ変換され第２図に示すように、ラスク走査（第
２図矢印入方向）及び走査線分割（第２図矢印入方向）
により、５１２×５１２個の画素に分割されて、それぞ
れのアドレスにシける〜■変換された画像信号ＤＩＳを
ｌ５（ｌ。

ｊ）（ただし、０≦ｉ、ｊ≦５１１）とアドレス化する
。

しかして１画像信号記憶部ａ秒にては、これらアドレス
ｌ５（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ＣＲＴ（１４）上のパ
ターンＰに対して、このパターンＰの幅りを求めるため
にカーソル設定部ａ９を操作して画像信号増幅器αりに
カーソル発生信号ＫＳを出力し、２本のカーソル（２２
ａ）、　（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）　ノａｗ及び長すＬ　Ｉｄ　カー　７　
ル設ｇ部α１にて調節できる。さらに、ＣＰＵ部（１６
）にては、カーソル設定部（ｋｌからカーソル位置読取
部（イ）を介して出力されたカーソル発生信号ＫＳＫ基
づいて、　ＣＲＴα４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ｌ５（ｆ、
　ｊ）（０≦ｉ≦５１１．０≦ｊ≦５１１）に変換する
。そして、カーソル（２２ａ）、　（２２ｂ）によシ指
定された判別領域内の任意の開所の＆、数ラインのデー
タを画像信号記憶部α〜からＣＰＵ部（１６）に転送す
る（第４図ブロック（２３））。この画像データのノイ
ズ除去をＦＦＴ　（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａ
ｎｓｆｏｒｍ　）法又は平滑化によ）行う（第４図ブロ
ック１２４）　）。上記ＦＦＴ法によシノイズ除去を行
う場合は、画像データを第５図（ａ）に示すようにフー
リエ変換して（第４図ブロック（２，５）　）　、高周
波成分をカットしく第４図ブロック（イ））、しかるの
ち第５図（ｂ）に示すように５逆フーリエ変換して波形
を再生する（第４図ブロック端）。他方、平滑化の場合
は、画像データの任意の各点を含む両側数点に平滑化重
み係数を乗算し、その間の平均値を任意の点のデータと
することによシノイズ除去を行う（第４図ブロック＠）
。そして、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６図に示すように、カーソル（２２
ａ）、　（２２ｂ）によシ寸法測定する判別′垣域を指
定する（第４図ブロックＣ３Ｑ　）。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と七により識別で
きる。判別領域内にて第６図に示す一方の側縁部におけ
る最大値０１］及び最／」・値Ｃ３２１を求める（第４
図ブロック（ハ））。そして、最大値Ｃ３１）と最小値
（３つとの間において任意に２点間。

６′７）を選択し、二次曲線近似する範囲を指定する（
第４図ブロック（灼）。つぎに、これら２点（至）、Ｃ
３７）間のデータに対して、最小二乗法にて二次曲線Ｃ
１を求める（第４図ブロック（４ａ）。さらに、最、Ｊ
−値Ｏ２とカーソル（２２ａ　）との間のデータすなわ
ち、平坦な部分のデータの平均値（４１）を求める（第
４図ブロック（４り）。つぎに、二次曲線−と平均値（
２）の交点（侶を求める。同様にして、他方の側縁部に
おける二次曲線（４４）と平坦部の平均値（４９を求め
、それらの交点（４６）を算出する（第４図ブロック（
４７）　）。上記交点ｆ４３１　、　ｆ４６）の位置は
ＣＲＴ　（１４）にて表示するとともに両者の間隔（画
素薮）を求め、倍率切換部（９）で決められた１画素轟
υの寸法を乗算し１寸法に変換する（第４図ブロック＆
侵）。そして、カーソル（２ｚａ）、　（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０ω）。つ
いで、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５図ブロック６ω）。最後Ｋ、
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５図ブロック６Ｉ））。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。

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度スキャンローテーシ
璽ンすることによシ同様の方法で可能となる。また、パ
ターン幅のｎｒ：ｊ定に「ｌることなく、第７図（ａ）
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　７　＃　（２２ａ）、　（２２ｂ）を設
定して、第７図Φ）に示すような波形りよう上記実施例
と同様にして、二次曲線（へ）、０４）と平坦部の平均
値（至）を求め、これらの交点（至）、６ηよりパター
ンＰ、　、　Ｐ！の間隔を求めることもできる。さらに
。

第８図（ａ）に示すパターンＰ、　、　Ｐ、のピッチも
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、嬉８図（ｂ）に示す波形（５ねより二次曲線６
９，６υと平坦部の平均値■、お２を求めたのち、これ
らの交点（（ｉ３　、　（６４）よシバターンＰ、、Ｐ
、のピッチを求めることができる。

また、上記実施例においては、　ＦＦＴ法または平滑化
によシノイズの除去を行ったが６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Ｐの縁部の外側の平坦部を
示す直線を、算術平均でなく最小二乗法によシ求めるよ
うにしてもよい。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（限ることなく、たとえば、第９図＜
ａ＞に示すように、パターンＰ、をはさむようにカーノ
／ｌ’　（２２ａ）、　（２２ｂ）を設定し、このカー
ノ＃　（２２ａ）、　（２２ｂ）間の波形（６５）（第
９図の）参照）について、カーソル（２２ａ）、　（２
２ｂ）側から画像信号を積算して第１１図（Ｃ）に示す
積算曲線（６Ｌ（６７）を得、この積算曲線（財）、Ｇ
ηの変曲点６印、（６９）よシバターン幅り、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（［０１としてＬＳＩ用の半導体ウエノ・を用い
ているが１μｍ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本体に、このＳＥＭ
本体から出力された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、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１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、高集積化のだめの各
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兄の全体構成
図　ｇ２図は蕗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、シー３図はＣＲＴにおけ
るカーソルの設定を示す図、第４方を説明するためのグ
ラフ、第７図ないし第９図は第２図の寸法測定装置によ
る各種寸法測定を説明するプこめの図である。（１）・・・５Ｅｈｉ本体部、（２）・・・寸法測定部
。（４）・・・電子線束、　　　Ｈ・・・測定試料、（１
４１・・・ＣＲＴ　（表示部）、 αｅ・・・ＣＰＵ部（演算制御部）。（１８１・・・画像信号記憶部、ａ■・・・カーソル設
定部。（２２ａ）、　（２２ｂ）−・・カーソル。代理人　弁理士　　則　近　憲　佑（ほか１名）第２図第３図ｓ４図第５図第　６　図第７図第８図

Claims

【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カーソル設
定部と、上記画像信号をディ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、上記画像データに基
づき上記パターンの複数の縁部を上記画像信号が上記パ
ターンの縁部の内側が上記縁部の外側に比べてレベルが
変化していることに基づいて決定してこれら縁部間の距
離を算出する演算制御部とを有し、上記縁部の決定を、
上記パターンの縁部の外側に相当する画像信号を直線近
似して得られた直線と、上記パターンの縁部の内側に相
当する画像信号を二次曲線に近似して得られた二次曲線
との交点により求める寸法測定部。