JPS6356482B2 - - Google Patents

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JPS6356482B2
JPS6356482B2 JP57207698A JP20769882A JPS6356482B2 JP S6356482 B2 JPS6356482 B2 JP S6356482B2 JP 57207698 A JP57207698 A JP 57207698A JP 20769882 A JP20769882 A JP 20769882A JP S6356482 B2 JPS6356482 B2 JP S6356482B2
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image
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JP57207698A
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Masaaki Kano
Hiroshi Yamaji
Shinji Nakao
Katsuya Okumura
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B15/00—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、たとえば半導体ウエハ上に形成され
た微小パターンの寸法を自動的に測定する寸法測
定方法に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
従来、半導体ウエ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
レビジヨン（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などの光学的に像を拡大した
り、ビーム径を細かくして分解能を向上させた測
定法がほとんどであつた。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当て
て、そのとき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つた。しかる
に、近時、LSIおよび超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つている。しかし、従来
の光学的手段では倍率的にも制限があり、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
ンの断面形状が変われば（レジストとエツチング
後の違い等）、測定結果のばらつきが生じ、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つた
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
も測定者による合わせ方のばらつきが生じ、高精
度の測定が困難になつていた。
〔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、SEM（Scanning
Electron Microscope）と呼ぶ。）を用いて、例
えば半導体ウエ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
寸法測定方法を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
走査型電子顕微鏡の表示部に測定されるパター
ンの寸法測定領域を指定し、この指定された領域
の画像信号を画素に分解すると共にアドレス化し
て画像データとして記憶し、この指定された寸法
測定領域内の画像データを取込んで上記パターン
の上記画像データの最小値および最大値より測定
領域内の測定範囲を分割し、この上記最小値およ
び上記最大値とに挾まれる範囲内の上記画像デー
タに対する第１の回帰直線と、上記最小値と上記
寸法測定領域の上記最小値に近い側の外郭とに挾
まれる範囲内の上記画像データに対する第２の回
帰直線とを形成し、この２つの回帰直線の交点を
算出し縁部を測定することを上記パターンの両縁
部毎に行い、これら縁部間の寸法を測定する寸法
測定方法を用いることにより電子顕微鏡に表示さ
れる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、本発明の方法を図面を参照して、実施例
に基づいて詳述する。
第１図は、本発明の寸法測定方法を用いた寸法
測定装置の一実施例である。この寸法測定装置
は、SEM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とからなつている。上記SEM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、基準になるクロツク
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ツク信号PS
に基づいて電子線束４をラスタ走査させるための
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ツ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CS1を
出力する倍率切換部９と、上記制御信号CS1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１０上に電子線束４を照射する対物レンズ１
１と、測定試料１０から放出される二次電子を集
捉する二次電子検出器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１５と、図示せぬ載置台上に保持された測
定試料１０の特定部位の拡大画像を表示する
CRT１４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からのクロツク信
号PSおよび掃引信号発生部７からの掃引信号SS
に基づいて後述するCPU（Central Proccessing
Unit；中央処理装置）部１６から出力された制
御信号CS2により上記画像信号ISを複数の画素
（512×512）に分割して画像信号ISのレベル（電
圧値）をＡ／Ｄ（アナログ／デイジタル）変換す
るＡ／Ｄ変換部１７と、上記画素毎にＡ／Ｄ変換
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１８
と、CRT１４に複数のカーソルを発生させ発生
位置をCRT１４上で任意の位置に動かすことが
できるカーソル設定部１９と、上記CRT１４に
おけるカーソル設定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２０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
DISを画像信号記憶部１８より読み出し後述する
各種画像処理を行う演算機能と記憶機能を有する
CPU部１６と、このCPU部１６における演算結
果をＤ／Ａ（デイジタル／アナログ）変換して
CRT１４に表示させるＤ／Ａ変換部２１とから
構成されている。また、このCPU１６の演算機
能に縁部決定部、寸法測定部の機能が設けらてい
る。
つぎに、上記のように構成された寸法測定装置
を用いて本発明の方法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など
のパターンが形成された半導体ウエハなどの測定
試料１０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から放出された制
御信号CS1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により集捉さ
れ電気信号に変換される。この二次電子検出器１
２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CRT１４に画像とし
て表示される。一方、画像信号ISは、Ａ／Ｄ変換
部１７にてCPU部１６から出力された制御信号
CS2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）により、512×512個
の画素に分割されて、それぞれのアドレスにおけ
るＡ／Ｄ変換された画像信号DISをIS（ｉ，ｊ）
（ただし、０≦ｉ、ｊ≦511）とアドレス化する。
しかして、画像信号記憶部１８にては、これらア
ドレスIS（ｉ，ｊ）ごとに画像信号DISが記憶さ
れる。つぎに、上述の動作で得られたCRT１４
上のパターンＰに対して、このパターンＰの幅Ｄ
を求めるためにカーソル設定部１９を操作して画
像信号増幅器１５にカーソル発生信号KSを出力
し、２本のカーソル２２ａ，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の幅Ｗおよび長
さＬは、カーソル設定部１９にて調節できる。更
にCPU部１６にては、カーソル設定部１９から
カーソル位置読取部２０を介して出力されたカー
ソル発生信号KSに基づいて、CRT１４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IS（ｉ，ｊ）（０≦ｉ≦511、０≦ｊ≦
511）に変換する。しかして、カーソル２２ａ，
２２ｂにより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１８からCPU部
１６に転送する（第４図ブロツク２３）。この１
ラインのノイズ除去を、FFT（Fast Fourier
Transform）法又は積算傾斜変換法を使い行う
（第４図ブロツク２４）。上記FFT法によりノイ
ズ除去を行う場合は、画像信号記憶部１８から取
り込んだデータ（第５図ａ参照）をフーリエ変換
し（第４図ブロツク２５）、周波数解析をおこな
いノイズを除去するため高周波成分をカツトする
（第４図ブロツク２６）。しかして、高周波成分が
カツ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図ブロツク２７）。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、積算傾斜変換法
による場合は、画像信号記憶部１８から取り込ん
だ１ラインのデータ（第６図ａ参照）に関して
は、ｊ点目（０≦ｊ≦511）のデータをｆ(j)とす
ると、０≦ａ≦511について、 ｓ(a)＝a 〓j=1 ｆ(j) を計算し（第４図ブロツク２８）、この積算結果
ｓ(a)について、ｍ点先のデータとの勾配 ｇ(a)＝（ｓ（ａ＋ｍ）−ｓ(a)）／ｍ を求める（第４図ブロツク２９）。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２２ａ，２２ｂにより寸法測定する判別領
域を指定する（第４図ブロツク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
にて第７図及び第８図に示す一方の側縁部におけ
る最大値３１及び最小値３２を求める（第４図ブ
ロツク３３）。なお、第７図において、波形３４
はノイズ除去前の波形、波形３５はノイズ除去後
の波形である。しかして、最大値３１と最小値３
２との間において任意に２点３６，３７を選択
し、直線近似する範囲を指定する（第４図ブロツ
ク３８）。つぎに、これら２点３６，３７間のデ
ータに対して、最小二乗法にて回帰直線３９を求
める（第４図ブロツク４０）。さらに、最小値３
２と点３７との間のデータすなわち平担な部分の
データに対して最小二乗法により回帰直線４１を
求める（第４図ブロツク４２）。次に回帰直線３
９，４１の交点４３を求める。同様にして、他方
の側縁部における回帰直線４４，４５を求め、そ
れらの交点４６を算出する（第４図ブロツク４
７）。上記交点４３，４６の位置はCRT１４にて
表示するとともに、両者の間隔（画素数）を求
め、倍率切換部９で決められた１画素当たりの寸
法を乗算し、寸法に変換する（第４図ブロツク４
８）。そうして、カーソル２２ａ，２２ｂが複数
の走査線にわたつているときは、別のラインにつ
いて同一の処理を繰返して行う（第４図ブロツク
４９）。しかして、各ラインについて得られたパ
ターンＰの幅Ｄ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図ブロツク５０）。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図ブロツク５１）。かくして、本発明を
用いた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
キヤンローテーシヨンすることにより同様に測定
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ａに示すように２本のパターンＰ
１，Ｐ２のそれぞれの内部にカーソル２２ａ，２
２ｂを設定して、第９図ｂに示すような波形５２
より上記実施例と同様にして、回帰直線５３，５
４，５５を求め、これらの交点５６，５７よりパ
ターンＰ１，Ｐ２の間隔を求めることができる。
さらに、第１０図ａに示すパターンＰ３，Ｐ４の
ピツチも求めことができる。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Ｐ
４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１０図ｂに示す波形５８よ
り回帰直線５９，６０，６１，６２を求めたの
ち、これらの交点６３，６４よりパターンＰ３，
Ｐ４のピツチを求めることができる。また、上記
実施例においては、FFT法又は積算傾斜変換法
によりノイズの除去を行つたが複数画素の平均化
又は複数画面の加算によりノイズ除去を行つても
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。
なお、上記実施例においては、測定試料１０と
してLSI用の半導体ウエハを用いているが、μm
オーダの寸法測定であればいかなるものにも本発
明の寸法測定方法を適用できる。
〔発明の効果〕
本発明の寸法測定方法は、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ためのものであり、測定
者によるばらつき、読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。したがつて、本発明
の寸法測定方法を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つて行うことができる。
その結果、半導体製品の品質向上および歩留向上
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を用いた寸法測定装
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図は本発明の一実施例による寸法測定
手順を示すフローチヤート、第５図および第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図および第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図お
よび第１０図は本発明の一実施例による各種寸法
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、１０：測定試料、１４：CRT（表示部）、
１６：CRT部（演算制御部）、１８：画像信号記
憶部、１９：カーソル設定部、２２ａ，２２ｂ：
カーソル。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 測定資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
    微鏡を用いて行われる寸法測定方法において、上
    記表示部に上記パターンの寸法測定領域を指定す
    る寸法測定領域設定工程と、上記画像信号を画素
    に分解すると共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工程と、上記寸法測定領
    域設定工程により指定された寸法測定領域内の画
    像データを取込んで上記パターンの上記画像デー
    タの最小値および最大値より測定領域内の測定範
    囲を分割し、この上記最小値および上記最大値と
    に挾まれる範囲内の上記画像データに対する第１
    の回帰直線と、上記最小値と上記寸法測定領域の
    上記最小値に近い側の外郭とに挾まれる範囲内の
    上記画像データに対する第２の回帰直線とを形成
    し、この２つの回帰直線の交点を算出し縁部を決
    定することを上記パターンの両縁部毎に行う縁部
    演算工程と、これら縁部間の寸法を測定する寸法
    演算工程とを具備することを特徴とする寸法測定
    方法。
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