JPS6291805A - 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、工業用テレビジラン（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り、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
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り、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。

レーザ反射光によりエツジを検出する測定法ではパター
／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、走査を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り誤差が、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きわせ方のば
らつきが生じ、高精度の測定が困難となっていた。

そこで、電子顕微鏡に寸法測定を行わせる電気回路を接
続し、電子顕微鏡から出力されるパターンの二次電子信
号に基づいて、二次電子信号が上記パターンの内側と外
側とでレベルが異なることを利用して、パターンの縁部
の内側の画像信号を直線で近似し、また、外側の画像信
号の平均値を求め、これらの交点からパターンのエッヂ
を求めパターン寸法を測定する方式があった（例えば。

特願昭５９−８８４５５号明細書参照）。

しかしながら、パターン近傍での二次電子信号の形はパ
ターンや下地材料の種類などにより異なり、第１０図の
様に、パターン近傍のわずかな領域を除けば、下地材料
からの二次電子信号がほぼ一定となる場合には、従来の
平均値を求める方式でよいが、第１１図の様に、広範囲
にわたって下地材料からの二次電子１８号が変化してい
る場合には。

カーソルの位置により、平均値が異なり、パターン寸法
が異なるといった問題があった。

〔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、　ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ
　ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｆｃｒｏｓｃｏｐｅ　）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ｉごて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１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、外側を曲線近似し、内側を直線近似して１
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（５ｃａｎｎｉｎ
＃　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　；以下
、たんにＳＥＭと略記する。）本体部（１）と、この８
ＥＭ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１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
となるクロック信号ＰＳを出力する基準信号発生部（Ｇ
）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（力
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Ｃ８Ｉを出力
する倍率切換部（９）と、上記制御信号Ｃ８Ｉ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αυ
と、測定試料α０から放出される二次電子を集捉する二
次電子検吊器αつと、この二次電子検出器（１カからの
信号を増幅する増幅部←四と、この増幅部ｕ９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　（Ｃａｔｈｏ
ｄｅ　Ｒａｙ　Ｔｕｂｅ　）（ＩＪに画像を表示させる
ための画像信号増幅器（１鴎と。

図示せぬ載置台上に保持された測定試料αＱ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、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（力から
の掃引信号ＳＳに基づいて制御信号ＳＴを出力するタイ
ミング制御部αのと、このタイミング制御部＜ＩＧ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−ディジタル（Ａ／Ｄ　）変
換部側と、このＡ／Ｄ　ｆ換部αηから出力されたディ
ジタル値をタイミング制御部ＣＩＥ９から出力された制
御信号ＳＤに基づいて記憶する表示用画像メモリ部ａａ
と、Ａ／Ｄ変換部αηから出力されたディジタル値をタ
イミング制御部αｅから出力された制御信号ＳＭに基づ
いて記憶する測長用画像メモリ部（１９と。

ＣＲＴ　（１４１上に複数のカーソルをＳＥＭ本体部（
１）からの画像又は表示用画像メモリ部崗に記憶された
画像データに基づく静止画像に重ね合わせて表示するた
めのグラフィック画像メモリ部（イ）と、このグラフィ
ック画像メモリ部（至）の入力側に接続されカーソルを
いろいろ動かしたりするカーソル設定部（２１）と、測
長用画像メモリ部α優及びグー）フィック画像メモリ部
（２Ｉからのデータを読み出しかつ各種演算処理機能と
記憶機能を有するＣＰＵ部（２２１と、測長用。

画像メモリ部α値９表示用画頌メモリ部α印、グラフィ
ック画像メモリ部（至）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脅と、測長用
画像メモリ部（ＩＩ９表示用画像メモリ部（１槌、グラ
フィック画像メモリ部■及び表示制御部（ハ）の出力側
１ζ接続すれディジタルデータをアナログ変換してＣＲ
Ｔ　Ｑ４）に出力１表示するためのディジタル−アナロ
グ（Ｄ／Ａ　）変換部（財）とより構成されている。そ
して、上記表示制御部ｃ！刀は１画像信号増幅器（１つ
にも接続され１表示用画像メモリ部α〜において記憶さ
れている画像データをＣＴＬＴ　（１４）にて表示させ
る制御信号ＭＡを出力するようになっている。

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（１
０を載置する。しかしてＳ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１倍率切換部（９）から出力された制御信
号Ｃ８Ｉにより走査コイル部（８）にてＸ−Ｙ方ｐＪｌ
こラスタ走査を行い、対物レンズ圓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（１カ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０ａから出力された電気信号は
増幅器α■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（ｔ
つにては、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
）に画像として表示させる。一方１画像信号Ｉｓは、タ
イミング制御部住６）より出力された信号ＳＴによって
、Ａ／Ｄ変換部α力にてＡ／Ｄ変換され、まず、表示用
画像メモリ部ｔｔＳに、１画面分格納される。表示用画
像メモリ部α樽は１例えば第２図に示すように、　５１
２　Ｘ　５１２　Ｘ　８ビット程度の容量を持っている
。格納されたデータは１表示制御部＠の信号ＭＣ、ＭＤ
によって、Ｄ／Ａ変換部０４）によって、アナログ信号
に変換され、制御信号ＭＡによってＣＲＴａ荀で静止画
像として表示される。つぎに、表示されたパターンＰに
対し、カーソル設定部０１）を操作して、信号ＫＳをグ
ラフィック画像メモリ部（２υ及びＤ／Ａ変喚部（２４
）を介してＣＩ（、’ｒ　（ｔ４）　ｉこ出力し、２本
のカーノ＃　（２５ａ）、　（２５ｂ）で、パターｙＰ
をはさむ様に設定する（第３図参照）。この時、カーソ
ル（２５ａ　）。

（２５ｂ）の位置は、カーソル設定部Ｃυより出力され
た信号ＫＳで、グラフィック画像メモリ部（２０１に書
き込まれ１表示用画像メモリ部ａ８と完全に重ね合わさ
って表示される。一方、　ＣＰＵ部（２のは、グラフィ
ック画像メモリ部Ｃ０より、カーノ＃　（２５ａ）、（
２５ｂ）のアドレスデータを読み取り、そのアドレスデ
ータを信号ＳＡで、掃引信号発生部（７）に送る。掃引
信号発生部（７）は、カーノ＃　（２５ａ）、　（２５
ｂ）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、　Ａ／Ｄ変換都住ηでディジタル値に
変換し、測長用画像メそり部（Ｌｉに格納する。この測
長月面６ｆｆメモリ部（１３ｊこては、−走査線につい
て。

表示用画像メモリ部崗に比べ、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、全画面にわたってデ
ータ収集するわけでなく、カーソル（ｚｓａ）、（ｚｓ
ｂ）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像デ
ータを、順次、測長用画像メモリ部（２）に格納してい
くが１通常、Ｓ　／Ｎ　（Ｓ　ｉｇｎａｌ　／　Ｎｏ１
ｓｅ　）比の悪い４ｉ号については、積算処理を行なう
（第４図ブロック弼。

＠）。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、積算回数で除算等
を行なって規格化する方法である。

一方、Ｓハ比の良い信号については、積算処理を行なわ
ず、１回のサンプリングで終了する（第４図ブロック四
）。つぎに、ノイズ除去を行なう（第４図ブロック（ハ
））。ノイズ除去法として、平滑化処理法（第４図プＨ
ｙりＱＩ）とＦＦＴ　（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒ
ａｎｓｆｏｒｍ　）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（１湯から取
り込んだデータ（第５図（ａ）参照）を７−りエ変換し
く第４図ブロック例）１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Ｇυ
）。しかして、高周波成分がカットされたデータを逆７
ニリエ変換して波形を再生する（第４図ブロック国）。

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（ｏｆｊくｎ）の任意の点の前後のｆ　−夕数点に
、係数を乗算し、その積を加算し、係数の和で除算して
規格化することによって、その任意の点を求める方法で
ある。すなわち、に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）の前後に点のデータに対し、係数町（Ｏくｉく
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ｌこよって、ｄＵ）の値を求めなお
す方法である。この処理により１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図士チ箒キ１ぜ示
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（ト）
）。判別領域は１寸法測定部位すなわちパターン部分（
第３図領域Ｐ）ｌこ対応する波形の電圧値が他部分より
大きいことｌこより識別できる。それから判別領域内に
て第７国交ｍに示す一方の側縁部における最大値５１）
及び最小値りを求める（第４図ブロック０４）。しかし
て、最大値６１）と最小値■との間において任意に２点
５６）、（’５ηを選択し、直線近似する範囲を指定す
る（第４図ブロックＱつ）。つぎに、これら２点６Ｑ、
らη間のデータに対して、最小二乗法にて回帰直線印を
求める（第４図ブロック００）。さらに、最小値６つと
点６７）との間のデータすなわち平坦な部分のデータを
最小二乗法にて二次曲線のυに近似する（第４図ブロッ
ク０７））。つぎに１回帰直線弱および二次曲線−の交
点５■を求める。同様にして、他方の側縁部における回
帰直線σ養および基底部の二次曲線（淘を求め、それら
の交点σｅを算出する（第４図ブロック（至））。上記
交点（ハ）、σＱの位置はＣＲＴ（１，Ｉ）にて表示す
るとともに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１寸法に
変換する（第４図ブロック（至））。そうして、カーソ
ル（２５ａ）、　（２５ｂ）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（４０）。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（４υ）。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（６））。かくして１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。とくに本実施例においては。

パターンの縁部の外側部分の画像信号を曲線近似してい
るので、パターン近傍の下地部分からの二次電子信号が
変化している場合に有効である。

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９０度スキャンローテーシ璽
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８図（ａ）に示すよう
に２本のパターンＰ１＋Ｐ、のそれぞれの内部にカーソ
ル（２５ａ）、　（２５ｂ）を設定して、第６図（ｂ）
に示すような波形＠りよリーヒ記実施例と同様にして５
回帰直線（ハ）、（財）および、基底部の二次曲線（ハ
）を求め、これらの交点（財）、［Ｆ］ηよりパターン
Ｐ１．　Ｐ、の間隔を求めることもできる。さらに、第
θ）図（ａ）に示すパターンＰ、、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）側線部をはさみ、
カーノ／Ｉ／（２５Ｃ）、　（２５ｄ）でパターンＰ４
の左（右）側線部をはさむ。しかして、上記実施例と同
様にして。

第９１図Φ）に示す波形（ハ）より回帰直線（８４）１
９１）および基底部の二次面＃（９Ｇ、（９３を求めた
のち、これらの交点鰻、（財）よりパターンＰｓ、　Ｐ
、のピッチを求めることができる。さらにまた、上記実
施例（こおいては、測定試料Ｑｌ）としてＬＳＩ用の半
導体ウェノ・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。

また２表示用画像メモリ部α腸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（
１１にデータを格納する場合は、できるだけＳハ比のよ
い信号をとり込むために、走査速度を招そくしても良い
。さらに、上記実施例におけるノイズ除去法の一つであ
る平滑化処理法を行う前Ｉこ、制御信号島により、１ラ
イン当り、　１０２４画素Ｉ画素側し１画像メモリ部（
１’Ｊを複数回取込み、平均化するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

本発明の寸法測定装置は、　ＳＥＭ本体に、この８ＥＭ
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、
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。

とくに１本発明においては１寸法測定を行うパターンの
縁部の外側部分に相当する画像信号を曲線近似している
ので、パターン近傍の下地部分からの二次電子信号が、
大きく変化している場合に有効である。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図はＣ几ＴＪこおける
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ｉζ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図はパターン幅の求め方を
説明するためのグラフ、第８図ないし第９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、
第１０図及び第１１図は二次電子信号の模式図である。 （１）　：　ＳＥＭ本体部、　　　　　（２）　：寸法
測定部、（４）：電子線束、　　　凹：測定試料、（１
４：　ＣＲＴ　（表示部）。 α槌：表示用画像メモリ部。 住Ｉ：測長用画像メモリ部。 （２ｆＪ二力−ソル設定部、 ＠　：　ＣＰＵ部（演算制御部）。 （ｚｓａ）、　（２５ｂ）　：カーソル。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　竹　花　喜久男 第２図 （。 第３図 第　４　図 第　５　図 第６図 第７図 第８図 第９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曲線に
   近似して得られた曲線と、上記パターンの縁部の内側に
   相当する画像信号を直線近似して得られた直線との交点
   により求める寸法測定部。