KR920007629B1

KR920007629B1 - 패턴형상 측정장치

Info

Publication number: KR920007629B1
Application number: KR1019890007845A
Authority: KR
Inventors: 후미오 고마츠; 모토스케 미요시
Original assignee: 가부시키가이샤 도시바; 아오이 죠이치
Priority date: 1988-06-08
Filing date: 1989-06-08
Publication date: 1992-09-09
Also published as: DE68904820T2; JPH0555802B2; EP0345772A2; JPH01311551A; US5029250A; EP0345772B1; KR900000683A; EP0345772A3; DE68904820D1

Abstract

내용 없음.

Description

패턴형상 측정장치

제1도는 본 발명에 따른 패턴형상 측정장치의 1실시예를 나타낸 블럭도.

제2도는 경통 경사면(鏡筒傾斜面)과 피측정패턴의 테이퍼부가 평행한 경우의 측정패턴의 관찰예.

제3도는 경통 경사면과 피측정패턴의 테이퍼부가 직각인 경우의 측정패턴의 관찰예.

제4도는 본 발명에 따른 패턴형상 측정 장치의 원리를 설명하기 위한 도면.

제5도는 제2도에 나타낸 관찰방법에 의해 얻어진 선프로파일.

제6도는 제3도에 나타낸 관찰방법에 의해 얻어진 선프로파일.

제7도는 본 발명에 따른 패턴형상 측정장치에 의해 측정된 패턴형상의 측정결과를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주사형 전자현미경(SEM) 1a : 경통

1b : 평향기 1c : 검출기

1d : 스테이지 2 : 화상처리수단

3 : 계산기 4 : 표시용 터미널

10 : 시료(피측정패턴) 10a, 10b : 피측정패턴의 테이퍼부

[산업상의 이용분야]

본 발명은 LSI등의 미세패턴의 3차원형상[패턴의 테이퍼각과 막두께(또는 깊이), 단면프로파일 및 패턴 치수 등]을 측정하는 패턴형상 측정장치에 관한 것이다.

[종래의 기술 및 그 문제점]

주사형 전자현미경( 이하 SEM이라고도 한다)을 이용해서 미세한 패턴의 3차원형상을 측정하는 기술로서 단면관찰법이 알려져 있는데, 이 방법은 시료를 절단한 다음 그 단면형상을 관찰하는 방법으로 종래부터 널리 이용되어 온 방법이다.

또, 다른 스테이지 경사각에서의 SEM의 화상으로부터 양화상이 대응하는 위치를 수동으로 매칭시킨 후, 3차원형상을 산출하는 시스템도 알려져 있다(Y.Kato et al. ; ＂Stereoscopic Observation and Three Dimensional Measurement for Scanning Electron Microscopy＂ IITRI/SEM/1977 pp. 41-48 및 하마타(兵他) : [초고압 전자현미경 입체사진으로 부터의 3차원 화상정보의 정량화] Electron Microscopy. Vol. 20, No. 2, 1985, pp. 134-142 참조).

그리고, 중심에 대해 대칭으로 배치된 검출기로 부터의 신호를 처리한 다음 적분함으로써 빔조사위치를 산출하는 시스템도 제안되어 있다(T. Suganuma : ＂Measurement of Surface Topography Using SEM with Two Secondary Electron Detectors＂ J. Electron. Microscopy., Vol. 34, No. 4, pp. 328-337, 1985 참조)

시료를 절단해서 그 단면형상을 관찰하는 단면관찰법은 널리 이용되고 있지만, 시료를 전달하기 때문에 그 시료는 다시 사용할 수 없게 된다. 또, 측정패턴도, 이따금 파단면(破斷面)에 존재하고 있는 패턴만으로 한정되게 된다. 그리고 예컨대 2μm이하의 미세한 개구직경을 갖는 패턴에서는 파단면이 기판표면에 수직으로 형성되지 않게 되면, 단면 형상도 실제의 형상을 반영하기 어렵게 되는 결점이 있다.

또, 다른 스테이지 경사각의 SEM의 화상으로 부터 대응하는 점을 구해서 그입체형상을 산출하는 방법도 예컨대 원격감지분야(remote-sen-sing 分野)에서 널리 이용되어 왔지만, 이 방법에서는 대응하는 점을 구하는 소위 패턴매칭을 수동으로 향할 경우 긴 시간을 필요로 하게 된다.

한편, 패턴매칭을 자동으로 행하는 경우에는, 그 매칭오차가 미세한 패턴의 형상에 따라서는 무시할 수 없는 큰 측정오차를 초래하는 경우도 있다.

또한, 중심에 대해 대칭으로 배치된 검출기로 부터의 신호를 처리해서 빔조사위치를 산출하는 경우에는 양검출기의 신호를 미리 동기시켜 놓을 필요가 있고, 또 높은 S/N비가 요구되기 때문에 시료를 미리 Au증착시켜 놓을 필요도 있다. 또 측정패턴이 고립되어 있는 경우에는 양호한 입체형상이 얻어지지만, 인접패턴과의 간격이 2μm이하로 되면 인접패턴의 영향으로 실제의 형상과는 달라지게 되는 문제가 있었다.

[발명의 목적]

이에 본 발명은 상기한 문제점을 고려해서 발명된 것으로, 피측정패턴을 파괴 혹은 접촉시키지 않고 패턴 형상을 고속으로 정확하게 측정할 수 있는 패턴 형상 측정장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

[발명의 구성]

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 패턴형상 측정장치는, 소정의 대 칭축에 대해 대칭인 테이퍼부를 갖는 피측정패턴의 형상을 측정하는 패턴형상 측정장치에 있어서, 상기 피측정패턴을 올려 놓는 회전 가능한 스테이지 및 이 스테이지에 대해 소정의 각도로 경사진 경통을 구비한 주사형 전자현미경과, 이 주사형 전자현미경으로부터의 출력신호를 화상처리하는 화상처리수단 및, 상기 대칭축이 상기 경통의 경사면과 평행한 상태에서의 상기 화상처리수단의 출력에 기초해서 상기 피측정패턴의 패턴치수를 산출하고, 상기 대칭축이 상기 경통의 경사면과 수직한 상태에서의 상기 화상처리수단의 출력에 기초해서 상기 피측정패턴의 단면프로파일을 산축하는 계산기를 갖추어 이루어진 것을 특징으로 한다.

[작용]

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 패턴형상 측정장치에 의하면, 주사형 전자현미경(이하, SEM이라 한다)의 경통(鏡筒)을 어떤 소정의 각도로 경사지게 해 놓는다. 그리고, 경사지게 한 경우의 경통의 축과 경사지게 하지 않은 경우의 경통의 축을 포함하는 평면, 즉 경통 경사면(鏡筒傾斜面)과 평행하게 서로 대칭인 테이퍼부를 갖는 피측정패턴의 테이퍼부를 스테이지상에 올려 놓는다. 이 때, 빔을 주사해서 얻어지는 SEM의 출력신호파형에 대응하는 화상처리수단의 출력에 기초해서 계산기에 의해 피측정패턴의 패턴치수가 산출된다. 그 다음에, 피측정패턴을 스테이지상에서 90°회전시켜 테이퍼부가 경통 경사면과 수직이 되도록 배치한다. 그리고 빔을 주사해서 얻어지는 SEM의 출력신호파형에 대응하는 화상처리수단의 출력에 기초해서 계산기에 의해 피측정패턴의 단면프로파일을 산출한다.

상술한 본 발명에 의하면, 피측정패턴을 파괴 혹은 접촉시키지 않고 패턴형상을 고속으로 정확하게 측정할 수 있게 된다.

[실시예]

이하, 예시도면을 참조해서 본 발명의 1실시예를 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 패턴형상 측정장치의 1실시예를 나타낸 도면으로서, 이 실시예에 따른 패턴형상 측정장치는 주사형 전자현미경(1; SEM)과 화상처리수단(2), 계산기(3), 표시용 터미널(4; display terminal)로 구성되고, 상기 SEM(1)은 경통(1a)과 편향기(1b), 검출기(1c) 및 스테이지(1d)로 구성된다.

다음에는 제2도 내지 제7도를 참조해서 본 발명에 따른 구성과 작용을 상세히 설명한다.

먼저, SEM(1)의 경통(1a)을 일정의 경사각(θ)으로 설정하게 되는데, 이 경사각(θ)의 설정치는 후술할 3차원형상의 기본 파라미터를 구할 때의 정밀도에 크게 영향을 미치기 때문에 0.1°이하의 정밀도가 요구된다. 그 다음에, 스테이지(1d)상에 시료(10)를 올려 놓고, 피측정패턴의 테이퍼부(10a,10b)가 경통 경사면과 평행이 되도록 스테이지(1d)를 회전시킨다(제2도 참조). 이때, 제2도에 도시된 바와 같이 피측정패턴 양측의 테이퍼부(10a,10b)는 균등한 폭으로 관찰된다. 이어, 상기 SEM(1)을 측정배율로 설정한 후, 화상처리수단(2)으로부터 SEM(1)의 편향제어신호인 HS(Horizontal Scan)와 VS(Vertical Scan), HB(Horizontal Blank), VB(Vertical Blank) 및 CONT(Control)신호를 편향기(1b)로 보내서 빔을 편향기(1b)에 의해 주사한다. 그러면, 이 주사된 빔이 스테이지(1d)상에 올려 놓여진 시료(10)에 닿아 시료(10)로 부터 2차전자가 방출되게 되는데, 이 2차전자는 검출기(1c)에 의해 검출된다. 이 검출기(1c)의 검출출력(2차전자신호)은 화상처리수단(2)으로 보내져 A/D 변환된 후, 256계조(階調)의 프레임 메모리(frame memory)에 격납된다. 그리고, VS신호를 일정치 또는 톱니모양의 파로 함으로써 선주사(線走査) 또는 면주사(面走査)의 모드로 바꾼다. 상기 빔주사에 의해 얻어진 선프로파일 파형(line profile 波形)에 평활화등과 같은 화상처리를 실시한 후, 패턴의 아래끝부분을 검출하고, 아래끝부분 사이의 화소수를 구하여 계산기(3)에 의해 패턴 치수를 산출한다. 이 패턴치수 산출방법으로서는 종래 부터 널리 이용되어 온 드레숄드법 혹은 직선근사법을 이용함으로써 자동측정이 가능하게 된다.

다음에는 피측정패턴을 올려 놓은 상태에서 스테이지(1d)를 전회(前回)의 설정치로 부터 90°만큼 회전시키게 되는데, 회전방향은 어느 쪽이라도 관계없다. 또, 경통(1a)의 경사각은 전회와 완전히 동일하게 해놓는다. 이와 같이 설정함으로써, 전회와 달리 피측정패턴(10)의 테이퍼부(10a,10b)는 쌍방이 다른 폭으로 관찰되게 된다(제3도 참조). 여기서, 어느쪽의 폭이 보다 넓게 보이는가는 패턴의 凹凸형상에 의해 결정된다. 이어, 상기 SEM(1)을 측정배율로 설정한 후, SEM(1)의 편향제어신호를 화상처리수단(2)으로부터 편향기(1B)로 보내서 빔을 피측정패턴(10)상에 주사한다. 그러면, 피측정패턴(10)상으로 부터 방출되는 2차전자가 검출기(1c)에 의해 검출되고, 이 검출출력(2차전자신호)이 화상처리수단(2)으로 보내지게 된다. 전회의 경우(피측정패턴의 테이퍼부가 경통 경사면에 평행한 경우에는 빔주사방향의 선프로파일을 취하면 측정이 가능했지만, 금회(今回)의 경우(테이퍼부가 경통 경사면에 직각인 경우)에는 빔주사방향과 직각방향으로 선프로파일을 추출할 필요가 있으므로 면주사를 행한다. 그리고, 빔주사방향과 직각방향으로 추출한 선프로파일을 전회와 마찬가지로 화상처리를 실시한 후, 쌍방의 테이퍼부(10a,10b)의 폭(P₁,P₂)을 구한다. 이때, 테이퍼각도(ø) 및 막두께(h; 깊이)는 제4도에 나타낸 관계로부터,

로된다. 여기서, ℓ은 테이퍼부의 실제의 폭을 나타낸다.

(1), (2)식으로부터

가 도출되고, (2), (3)식 및 SEN(1)의 배율(M)을 고려하면,

가 도출된다. 여기서, Q₁은 P₂M을 나타낸다. (4)식을 이용해서 계산기(3)에 의해 테이퍼각도(ø)를 산출함과 더불어 산출된 테에퍼각도(ø)를 이용해서 (5)식에 의해 막두께(h; 깊이)를 구한다.

더욱이, 테이퍼부의 단면형상[A(X₁)]은 테이퍼각도(ø)의 변화에 따라 입력신호도 변화하게 되므로 각 테이퍼부 위치에서의 신호량[S(X₁)]을 기초로 다음 식에 의해 근사적으로 산출된다.

한편, 제5도는 경통 경사면과 피측정패턴(10)의 테이퍼부(10a,10b)가 평행한 경우의 선프로파일을 나타낸 것이고, 제6도는 경통 경사면과 피측정패턴(10)의 테이퍼부(10a,10b)가 직각인 경우의 선프로파일을 나타낸 것이며, 제7도는 본 실시예에 따른 패턴형상 측정 장치에 의해 측정된 패턴의 형상을 나타낸 것이다. 여기서, 본 발명에 따른 패턴형상 측정장치는 피측정패턴(10)의 양측의 테이퍼부(10a,10b)가 대칭이라는 것을 전제로 하고 있다.

상술한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 피측정패턴을 파괴 혹은 접촉시키지 않고 패턴형상을 고속으로 정확하게 측정할 수 있게 된다.

또한, 본 실시예에 있어서는 경통(1a)이 경사지게 된 장치에 대해 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 종래와 같이 경통(1a)을 수직으로 하고 시료스테이지(1b)를 경사지게 해도 좋다.

한편, 본 발명의 특정청구의 범위의 각 구성요소에 병기한 도면번호는 본 발명의 이해를 이용하게 하기 위한 것으로서, 본 발명의 기술적 범위를 도면에 도시된 실시예에 한정하는 의도로 병기한 것은 아니다.

[발명의 효과]

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 피측정패턴을 파괴 혹은 접촉시키지 않고 패턴형상을 고속으로 정확하게 측정할 수 있게 된다.

Claims

소정의 대칭축에 대해 대칭인 테이퍼부(10a,10b)를 갖는 피측정패턴(10)의 형상을 측정하는 패턴형상 측정장치에 있어서, 상기 피측정패턴(10)을 올려 놓는 회전가능한 스테이지(1d) 및 이 스테이지(1d)에 대해 소정의 각도로 경사진 경통(1a)을 구비한 주사형 전자현미경(1)과, 상기 주사형 전자현미경(1)으로부터의 출력신호를 화상처리하는 화상 처리수단(2) 및, 상기 대칭축이 상기 경통(1a)의 경사면과 평행한 상태에서의 상기 화상처리수단(2)의 출력에 기초해서 상기 피측정패턴(10)의 패턴치수를 산출하고, 상기 대칭축이 상기 경통(1a)의 경사면과 수직한 상태에서의 상기 화상처리수단(2)의 출력에 기초해서 상기 피측정패턴(10)의 단면프로파일을 산출하는 계산기(3)를 갖추어 이루어진 것을 특징으로 하는 패턴 형상 측정장치.