JPS6199809A

JPS6199809A - 寸法測定装置

Info

Publication number: JPS6199809A
Application number: JP22130884A
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: 1984-10-23
Filing date: 1984-10-23
Publication date: 1986-05-17

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、例えば半導体ウエノ１上に形成された微小パ
ターンなどの寸法を自動的に測寸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、工業用テレビジ■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がほとんどであった。さらに
、走査量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ッヂ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も行われ
ている。

、これに対応してパターン幅測定機も０．１μｍ以下の
°・。１、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、レーザ反射光によリエ
ッヂを検出する測定法では、パターンの断面形状が変わ
れば、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、走査量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
場合には読取り誤差が、またカーソルをパターンエッヂ
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。

走査量電子顕微鏡（以下、　ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｆ
ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｌｃｒｏｓｃｏｐｅ　）とよぶ。）
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。

画像信号が上記パターンの内側と外側とでレベルが異な
っていることを利用して、パターンの縁部の外側にて第
１の仮想線を、また縁部の内側にて第２の仮想線を求め
、さらに両者の交点を求めることによシ上記パターンの
縁部を決定することによシ、複数の縁部間の寸法測定を
行うものであって、とくに上記第１の仮想線の算出を縁
部とカーソルによシ挾まれた区間における画像データの
うち上記縁部近傍領域に存在する画像データを除いた画
像データの平均によシ行う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ｍ電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｌｎ
ｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　；以下
、たんにＳＢＭと略記する。）本体部（１）と、とのＳ
ＥＭ本本部（１）によル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
となるり四ツク信号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（力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
α１上に電子線束（４）を照射する対物レンズ（１１）
と、測定試料四から放出される二次電子を集捉する二次
電子検出器０乃と、この二次電子検出器Ｑ擾からの信号
を増幅する増幅部ａ３と、との増幅部Ｑ３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た
めの画像信号増幅器（１！１９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　（＋４１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（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒ
ｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ　；中央処理装置）部（１
６）から出力された制御信号Ｃ８２により上記画像信号
■Ｓを複数の画素（５１２Ｘ　５１２）に分割して画像
値−ＱＩＳ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／ｌ））変換部０７
）と、上記画素ごとにＡ／Ｄ変侯された画像信号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ｆｌａｔと、　ＣＲＴ　（＋４１に複数
のカーソルを発生させ発生位置をＣＲＴ　Ｑ４）上で任
意の位置に動かすことができるカーソル設定部０慟と、
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（社）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ＤＩ
８を画像信号記憶部α■］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（ｌｅと
、このＣＰＵ部０１９における演算結果をディジタル−
アナログ（Ｄ／Ａ　）変換してＣＲ’ｒ（１４）に表示
させるＤ／Ａ変換部Ｑ１）とから構成されている。

つぎに、上記寸法測定装置の作動について説明まず、Ｓ
ＥＭ本体部（１）の載置台に１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〔を載
１ｄする。しかして、電子銃（３）から放出された知、
子線束（４）は、走査コイル部（８）におけるＸ−Ｙ力
向のラスク走査によシ、測定試料ｆＩＩ上に照射される
。すると、測定試料ＱＱ＋血からは、二次電子が放出さ
れる。この二次電子は、検出器θりによシ集捉され、電
気信号に変換されるもこの電気信号は、ｊ１＃幅器（１
３）にて増幅され１画像値号Ｉｓとして画像信号増幅器
（ＩＱに出力され、ＣＲＴ（１４）に画像として表示さ
れる。一方１画像信号Ｉｓは、　Ａ／Ｄ変換部鰭にてＣ
ＰＵ部ａｅ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Ａ方向）及び走査線分割（第２図矢印Ｂ方向）に
よ、９　、５１２　Ｘ　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／ｂ変換された画像信号
ＤＩ８を、　Ｉｓ　ＣＬ、／’）Ｃｏ≦Ｌ、ｊ≦５１１
）とアドレス化しで１画像値号記憶部０８１に記憶され
る。つぎに、上記した動作で得られたＣＲＴＱ４１−ヒ
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Ｈを操作して画像信号増幅器ＱＳ
にカーソル発生信号に８を出力し、２本のカーソル（２
２ａ）、　（２２ｂ）をパ１ｘ−ｙＰをはさむような位
置に移動させる（第３図参照）。この際、カーソルの幅
Ｗ及び長さＬは、カーソル設定部ＯＩにて調節できる。

また、ＣＲＴ（１，１）上のカーソルのアドレスは、カ
ーソル発生部（ｌＩからカーソル位置読取部（１）を介
してＣＰＵｍ（１（ｉ）に出力される。そして、カーソ
ル（２２ａ）、　（２２ｂ）によシ指定された判定領域
内の任意の場所の複数ラインのデータが画像信号記憶部
α尋からＣＰＵ部Ｑｆ９に転送される（第４図ブロック
Ｇｌ）。このとき、同一アドレスの画像データを複数回
積算することによシ、ランダムノイズの除去を行う。さ
らに、ＦＦＴ　（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎ
ｓｆｏｒｍ　）法又は平滑化を行うことにより、画像デ
ータのノイズを除く（第４図ブロック（財）〜（２））
。すなわち。

ＦＦＴ法においては、ｉず得られた画像データに対して
７−リエ変換したのち（第４図ブロック（ハ））。

高周波成分を除去する（第４図ブロックＣ！６））。つ
いで、逆フーリエ変換を行い、ノイズ除去を完了する（
第４図ブロックレフ））。そして、ノイズ除去された波
形について第５図に示すように、カーソル（２２ａ）、
　（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（至））。この判別領域は。

パターン部分（第３図領域Ｐ）に対応する波形が他部分
より高いことにより識別できる。ついで、判別領域Ｐ内
にて第５図に示す一方の側縁部における最大値Ｇυ及び
最小値０２１を求める（第４図ブロックαや）。そして
、最大値Ｃｌ１）と最小値０２１との間において任意に
２点（ト）、０η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（至））。つぎに、これら２点
（至）、　（３７１間のデータに対して、最小二乗法に
て二次曲線０１を求める（第４図ブロック（４Ｉ）。エ
ッヂ附近の出力波形はパターンのチャージ・アップ等の
影餐をうけ１本来のパターン以外の部分のレベルよル低
くなる。そこで、第６図に示すように、最大値０υと最
小値０４間の任意の点（４つとカーソル（２２ａ）間の
データの算術平均値を仮の平均レベル（４鵠としく第４
図ブロック（旬）、二次曲線０Ｉとの交点を求め、仮の
交点（４（イ）とする（第４図ブロック（伺）。このと
き、第６図に示すように。

除去するデータの領域（Ｌ）を前もって設定しておき、
仮の交点（４４）からカーソル（２２ａ）までのデータ
のうち、仮の交点（４４）からその領域（Ｌ）分を除い
た領域（Ｍ）のデータの算術平均値をパターン以外の部
分の平均レベル（４Ｇ）とする（第７図ブロック＜４ｎ
　）。

つぎに、二次曲線ＯＩと平均レベル０６）の交点（４８
）を求める（第７図ブロック（４ω）。同様にして、他
方の側縁部における二次曲線６υと平坦部の平均ｌノベ
ル５Ｄを求め、それらの交点６２１を算出する（第７図
ブロック６障）。上記交点（４Ｓ、６３の位置はＣＲＴ
　（１４）にて表示する（第７図ブロック６４））とと
もに１両者の間隔（画素数）を求め１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７図プｏ、７りｅｉ５１　）。そして、カーノ／
ｌ／　（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７図ブロ
ック（ト））。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、谷線統計処
理たとえば平均値演算、標準偏差演算を行う（第７図ブ
ロック（５η）。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７図ブロック
ｌ５８１）。かくして。

本実施例の寸法測定装置によれば１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。

々お、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
田ンすることによシ同様の方法で可能となる。また、パ
ターン幅の測定に限ること々く、第８図（ａ）に示すよ
うに２本のパターンＰ、　、　Ｐ、　ノそれぞれの内部
にカー　７　ル（２２ａ）、　（２２ｂ）を設定して、
第８図の）に示すような波形■よシ上記笑施例と同様に
して、二次曲線１１）、１３と平坦部の平均レベル關を
求め、これらの交点−１（６ツよりパターンＰ、、Ｐ！
の間隔を求めることもできる。さらに、第９図（ａ）に
示すパターンｐ３．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。

第９図山）に示す波形６６）より二次曲線のη、−と平
坦部の平均レベル−、（７０）を求めたのち、これらの
交点σ１）、σ４よりパターンＰ、、Ｐ、のピッチ音束
めることができる。また］ト上記施例において、二次曲
線で近似していた区間を直線で近似することもできる。

上記実施例において、各種のノイズ除去を行っているが
、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、た
とえば、第１０図（ａ）に示すように、パターンＰ、を
はさむようにカーノ＃　（２２ａ）、　（２２ｂ）を設
定し、；Ｃ（Ｄカ−ソｙｖ（２２ａ）、　（２２ｂ）間
の波形（７３（第１０図（ｂ）参照）゛にライて、カー
ソル（２２ａ）、　（２２ｂ）側から画像信号を積算し
て第１０図（Ｃ））に示す積算曲線ａｍ、ｃｒωの変曲
点ｆｆ６）、（７ηよりパターン幅り、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
（１０）としてＬＳＩ用の半導体ウェハを用いているが
１μｍオーダ例においては、平均レベル（４Ｌ６１）の
算出に、算術平均法を適用しているが他の平均法、たと
えば幾何平均法を適用してもよい。

〔発明の効果〕

本発明の寸法測定装置は、ＳＢＭ本体に、この８１１１
Ｍ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、読み取り誤差が解消され
、　ｏ、ｏｉμｍ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図及び第７図は第２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
パターン幅の求め方を説明するためのグラフ、第８図か
ら第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）・・・ＳＥＭ本体部、（２）・・・寸法測定部。（４）・・・電子線束、　　　　Ｑｌ・・・測定試料。Ｉ・・・ＣＲＴ　（表示部）。ａυ・・・ＣＰＵ部（演算制御部）。Ｑｌ・・・画像信号記憶部、　　　■・・・カーソル設
定部。（２２ａ）、　（２２ｂ）　・＃　−／　／Ｉｚ。（至）・・・二次曲線（第２の仮想線）。（ハ）、６１）・・・平均レベル（第１の仮想線）。第２図第３図８４ｍ □（第７図第８図第９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量電子顕微鏡本体部。（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の画像データを直線近似して
得られた第１の仮想線と、上記パターンの縁部の内側の
画像データを直線又は曲線近似して得られた第２の仮想
線との交点により求めるとともに、上記第１の仮想線の
算出を上記パターンの縁部と上記カーソルとにより挾ま
れた区間における画像データのうち上記縁部近傍領域に
存在する画像データを除いた画像データの平均により行
う寸法測定部。