JPH03266444A - 電子ビームを用いた測定装置におけるパタン検出方法および寸法測定方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、電子ビームを被測定パタンに照射し、反射電
子または二次電子を検出して、ＶＬＳＩ等の半導体装置
、絶縁物、配線等のパタンの線幅を測定する測長装置、
あるいは検査装置において、自動的に目的パタンを良好
な精度をもって検出し、寸法を測定する方法に関する。

［従来の技術］ ＶＬＳ　Ｉを高い歩留りで製作するためには、チャネル
長などのデバイスパタン寸法を高精度で測定し、製造装
置の加工条件に反映させることが重要である。

典型的なＬＳＩの加工処理は、　（１）下地膜形成、　
（２）レジスト膜塗布、　（３）露光、　（４）現像、
　（５）エツチング、　（６）レジスト剥離除去、であ
り、この一連の操作を１０数回繰り返してＬＳＩが完成
する。

ここで、最適な加工形状を得るために、　（ａ）下地膜
材質、（ｂ）レジスト膜厚、（Ｃ）露光強度、　（ｄ）
現像時間、　（ｅ）反応ガス種、などの加工条件を決定
する過程は、プロセス開発と呼ばれ、加工形状、パタン
寸法を評価する装置として、パタン寸法測定装置が使用
される。

また、加工条件が決まり、製造ラインに上記プロセスが
導入されると、歩留りを維持・改善するために、管理基
準が決定され、各加工条件の安定性が寸法の評価により
監視され、その手段として、パタン寸法測長装置が使用
される。

このように、パタン寸法測長装置は、■加工条件の決定
、■加工安定度の監視等各種の用途に利用され、寸法の
微細化に伴ってその重要性を増しつつあり、このような
微細パタンの測定のためには、電子ビームを用いた寸法
測長装置が用いられている。しかし、従来の装置は、目
的パタンの認識等を人間が行う半自動システムである。

このため、その効率化を行う上で、パタンの自動認識、
測定の自動化が必要である。

このような電子ビームを用いた寸法測長装置では、被測
定パタンに垂直な方向に電子ビームを走査し、この走査
信号に同期して反射電子または二次電子を検出すること
により、二次電子信号波形を得る。この信号波形からパ
タン寸法を得る方法としては、特開昭５５−７２８０７
号「電子線マスク検査装置」に開示されているように、
二次電子信号波形に適当なスレッシ日ルドレベルを設定
して２値化し、その間隔からパタン寸法を測定する方法
、特開昭Ｅ３１−８００１１号「寸法測定装置」に開示
されている、エツジ・ベースラインそれぞれを直線近似
し、その交点間の距離からパタン寸法を得る装置が知ら
れている。

このような測定を行う際の通常の手順は、以下の通りで
ある。まず、ウェハ上に形成されたパタンの中から目的
のパタンを認識・指定し、波形を取り込み、そのパタン
の外側（または内側）からスライスレベルを設定し、交
わる点から凸（または凹）パタンのエツジを検出し、上
記の方法で寸法を測定する。

しかし、このようなパタンの認識や、エツジ認識を自動
で行うことは、チャージアップや、コントラストの変動
等によりパタンの検出ミスが生じやすい。このため、従
来の装置では、例えば特開昭Ｅ３１−１８３８８３号「
測長用電子顕微鏡」に開示されているように、人間が目
的のパタンを認識し、カーソル等の手段で指定している
。

このパタン検出は、自動測長装置の場合は必要不可欠で
ある。即ち、ステージ上にロードされたウェハの座標系
は、ステージを移動するためのステージ座標系とは異な
る。通常、このずれを修正するため、アライメント処理
を行う。これは、あらかじめ、ウェハの座標系の既知の
パタンを２箇所以上検出し、そのステージ座標を読み取
ることによって、平行移動量、回転量を算出してステー
ジの移動にフィードバックする。このアライメント時に
は、パタンの自動検出が必要である。また、このアライ
メント後でも、ステージの停止精度による位置ずれ、チ
ップ位置のばらつき、チップの歪み等による位置ずれが
あるため、測定パタンを検出する場合にも必要である。

第４図は、チャージアップや、コントラストの変動の影
響によるパタンの検出ミスを説明するための図である。

図において、　（ａ）はパタン断面図、　（ｂ）はチャ
ージアップ等の影響のない二次電子信号波形の例を示す
図、　（Ｃ）は、チャージアップによって左右の対称性
がくずれた例を示している。　（Ｃ）では、非パタン部
分の信号であるグランドレベルの場所による変化が大き
く全体に右下がりになっておりパタン部分の信号波形の
左右非対称性も大きく、左右いずれかのエツジが検出で
きないため、同一条件では目的パタンの検出ができない
。

また、対称性の悪いパタンを検出するため、あらかじめ
波形を取り込んで蓄積しておき、取り込み波形と蓄積波
形のマツチング処理によりパタンを検出する方法がある
。しかし、この方法では、波形を蓄積した時のパタン寸
法と、実際のパタン寸法が異なる場合に、左右のエツジ
間の距離が異なるので、パタン検出ミスや、精度の低下
が起こる。この事情を、第５図によって説明する。図に
おいて、　（ｃ）、　（ｄ）は、　（ａ）及び（ｂ）の
波形と、　（ａ）の基準波形をずらしながらマツチング
量を算出したときのマツチング量の変化を示した図であ
る。　（ａ）のように同じ寸法のパタンをマツチングし
た時には、極小点が出てくるが、寸法の異なるものをマ
ツチングした時には、２つの寸法の差程度の幅の最小値
領域が生じるため、パタン位置が決定できず、ノイズに
よりその位置が変動してしまう。この寸法の違いは、設
計寸法が異なる場合だけでなく、プロセス条件の変化に
より寸法が変わる場合にも生じる。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上記自動測長におけるパタンの自動検出、寸
法測定の場合に、チャージアップや検出器の位置に起因
する信号波形の左右非対称性や、ノイズによるパタン検
出ミスを防ぎ、精度よい寸法測定を行うことを目的とす
る。また、パタン寸法の違うパタンを、マツチング処理
により検出する際に、寸法が異なる度に基準波形を作成
する手間を省くとともに、設計値と実際のパタン寸法の
ずれが大きい場合でも、検出効率を高め、精度良く測定
することが第２の目的である。

［課題を解決するための手段］ 上記の課題を解決するために、本発明においては、パタ
ンマツチングにより目的パタンを検出する際に、基準と
なる波形を、左右のエツジ別々に作成し、左右のエツジ
別々にパタンマツチングする。この時、左右側々に、基
準波形と取り込み波形の信号レベルの規格化を行う。ま
た、上記基準波形の１箇所に、それぞれエツジ指定点を
設定し、このエツジ指定点の間隔から寸法を測定する。

［作用コ 左右別々に、基準波形と取り込み波形の信号レベルの規
格化を行ない、パタンマツチングしているので、信号波
形が左右非対称であっても、パタンの検出が可能であり
、検出率を高くすることができる。また、設計（基準波
形取得時のパタン）と、実際のパタン寸法がかなり異な
る場合でも、左右別々にエツジを検出しているので、目
的パタンの検出が可能である。

更に、左右別々の基準波形と取り込み波形を信号レベル
を合わせてマツチング処理した後に、その基準波形に設
定したエツジ位置間隔からパタン寸法を算出しているの
で、チャージアップ等による信号波形の左右非対称があ
っても、パタン寸法を正確に測定できる。

［実施例コ 第１図は、本発明のパタン寸法測定法の操作手順を説明
する図である。まず、ステージの移動、焦点合わせが終
わった後、あらかじめ取り込んでおいた基準画像と、被
測定パタンの画像をパタンマツチングすることにより、
目的のパタンを検出し、測定を行う。

第１図（ａ）は、電子ビームで操作することによって生
じた二次電子取り込み信号波形を示す。

次に取り込んだ信号波形を、　（ｂ）のように基準のエ
ツジ波形（左）とのマツチング処理により、左のエツジ
位置を検出する。同様に、　（Ｃ）に示すように、基準
のエツジ波形（右）とのマツチング処理により、右のエ
ツジ位置を検出する。この操作の後で、　（ｄ）のよう
にパタン位置を検出し、左右のエツジ位置の間が目的パ
タンと認識する。

次に（ｅ）に示す左右それぞれの基準波形上に設定した
エツジ位置指定点の間隔からパタン寸法を算出する。こ
こでは、エツジの検出を左右の順に行うものとして説明
したが、逆に右左の順序でも差し支えない。

第２図は、本発明のパタンマツチングによるエツジ位置
検出処理の一実施例を示す図である。

二次元画像から一次元波形を切り出す方法としてここで
は、二次元画像をＸｌ　Ｙ方向へ射影して一次元波形と
している。この波形から、基準波形と同じ長さの波形を
切り出して、マツチング量が最小になる位置を検出する
。

この操作手順を、図の中に記入した記号の順に説明する
。

■　倍率を設定し、二次元画像を取り込む。画素数は、
ｎｘｎである。基準波形作成時と倍率が異なる時は、取
り込み倍率に合うように、基準波形を伸縮させる。

■　二次元画像に、空間フィルタ、ＦＦＴ十逆ＦＦＴ等
の組合せにより、ノイズの除去を行う。この処理は、省
略することとも可能である。

■　二次元画像から、Ｘｌ　Ｙ２方向の一次元波形を切
り出す。

この方向は、ＬＳＩのパタンは、通常縦横２方向から形
成されているので、選定したものである。

パタンか斜め方向に形成されていることがあらかじめ判
っている場合には、それに直交する２方向を選定する。

このような選定に代えて、二次元画像を取り込む際に、
像をＸ、Ｙ２方向と一致するように回転させておくこと
も可能である。

−次元波形の作成は、二次元画像からＸ、　　Ｙ方向の
何本かの波形を抽出しても良いが、第３図のように、二
次元画像３１．３２をＸｌ　Ｙ方向へ射影して一次元波
形３３を作成することができる。

この方法は、信号を一方向に加算しているため、個々の
信号に含まれているノイズが除去できる利点がある。

■　波形切り出し 上記■で得られた一次元波形（画素数ｎ）から基準波形
と同じ長さ（画素数ｍ）の波形を切り出す。切り出しは
、端部から順番に行うが、あらかじめ信号変化が大きい
箇所またはスライスレベルを横切る位置をエツジの候補
位置として検出しておき、そのエツジ位置が基準波形と
合うように順次切り出すこともできる。後者の場合には
、マツチング量計算の回数が少なく、微調整の必要もな
いので効率的である。

■　信号レベル規格化 マツチング量算出の前に取り込み波形と基準波形の信号
レベルを合わせる。ビーム電流が異なる場合等には、波
形形状はほぼ同じでも、信号の絶対値は異なるため、こ
れを合わせる。その方法としては、基準波形とコントラ
スト値（最大、最小）を合わせる、基準波形と平均値、
分散を合わせる、等の方法を選択することができる。

この信号レベルの規格化は、波形切り出し前に行っても
良い。どちらを先に処理するかは、信号波形の形状に依
存する。エツジ部分の信号変化が大きいものは、後から
信号レベルの規格化を行うと、スパイク的なノイズがあ
る場合に、マツチングミスになりやすい。一方、信号レ
ベルが左右で徐々に変化するような場合には、先に信号
レベルを合わせると、切り出し後は、見掛は上信号コン
トラストが減少するので、マツチングミスが生じやすい
。

■　基準波形とのマツチング量算出 取り込み波形と基準波形がどの程度合っているかを、マ
ツチング量を用いて算出する。マツチング量には、２つ
の波形信号の差の絶対値、または差の２乗の総和を用い
ればよい。

■　波形切り出し終了 上記■の波形切り出しが終了か否かのチエツクを行う。

■　マツチング位置算出 マツチング量が最小になる波形切り出し位置を算出する
。算出は、最小値、二次曲線近似したピーク位置、ガウ
ス分布近似したピーク位置、のいずれを用いても良い。

ピーク位置を曲線で近似する場合、全てのデータを用い
ずに、はじめに最小値を求め、その近傍のデータだけを
用いて近似した方がよい。これは、ピーク位置からずれ
るに従って、理想的な二次曲線やガウス曲線からのずれ
が大きくなるからである。ピーク位置の算出には、スプ
ライン関数を用いてもよい。

■　微調整の指定 波形切り出し位置の移動量を細かくしてマツチング位置
を算出しなおす。微調整は、■で求めたマツチング位置
の前後数点で実施する。ただし、この微調整は、必ずし
も必要はない。

［相］　パタンずれ量算出 算出したマツチング位置から、目的パタンのずれ量を算
出する。検出パタンか目的パタンかどうかのチエツクは
、マツチング位置でのマツチング量（マツチング量の最
小値）の値が判定値以下かどうかで検出することができ
る。判定値以下ならば、マツチングが正常に行われてい
る。この判定は、ずれ量算出の前に実施する。

上記の方法により、目的のパタンエツジの検出が行われ
る。通常パタンは、左右のエツジがあるので、左右別々
に■〜Ｏの処理を行い、それぞれのエツジ位置を検出し
、目的パタンを検出する。

左のエツジの検出後、右のエツジの検出は、検出したエ
ツジの右側だけを行えばよい。あらかじめパタン寸法の
概算値が判っている場合は、その寸法からエツジ位置を
概算し、その近傍だけを捜せばよい。

基準波形については、■〜■までの処理が終わっている
もの（エツジを中心に、波形を切り出しであるもの）を
蓄積しておき、パタンマツチング時にその波形ファイル
を読み出す。この基準波形の長さは、左右別々でもよい
。

以上の方法で、目的パタンか検出できる。寸法の測定は
、基準波形の１箇所に、エツジ位置を示す印としてエツ
ジ位置指定点を設定する。このエツジ位置指定点は、断
面ＳＥＭと信号波形の比較、あるいは、他の寸法測定と
の比較により設定すればよい。左右別々にエツジを求め
、この左右のエツジ位置指定点の間隔からパタンの寸法
が測定できる。

この方法では、左右別々に信号レベルを合わせてエツジ
位置を指定している。このため、チャージアップや検出
器の方向に起因する信号レベルの非対称性やその変化、
ビーム電流変動等によるコントラストの変化があっても
、パタン寸法が正確に測定できる。

さらに、各パタンエツジ検出時に、マツチング量を算出
しているが、この数値の大小で、パタンの異常が検出で
きる効果もある。即ち、プロセス条件の変動により、パ
タンエツジのテーパー角度が変化すると、エツジ部分の
信号波形（エツジの急峻度、幅）が変化する。また、パ
タンか正常に形成されないで、レジストが底に残ってい
るような場合には、エツジ波形の幅が広がる。これらの
波形変化によって、マツチング量が増加する。

従って、このマツチング量が基準値より大きいか小さい
かで、パタンの良否を判定することができる。

［発明の効果コ 上記の説明から明らかなように、本発明の方法は、左右
側々の基準波形で、それぞれのエツジを別々にパタンマ
ツチングにより検出しているので、左右の非対称性が大
きい波形でもパタンを正確に検出することができるため
、チャージアップやノイズの影響を受けにくい。また、
目的のパタンの寸法が異なっても、同じ基準波形を用い
てパタンの検出ができるため、基準波形作成の手間を省
（ことができる。更に、設計値と実際のパタン寸法のず
れが大きい場合でも、パタン検出効率が高い。

従って、本発明の方法を用いれば、自動で目的のパタン
を精度良く検出することができる。また、自動のパタン
寸法測定装置や、パタン欠陥検査装置で精度良く測定す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のパタン寸法測定法の操作手順を説明
する図、第２図は、本発明のパタンマツチングによるエ
ツジ位置検出処理の一実施例を示す図、第３図は、二次
元画像をＸｌ　Ｙ方向へ射影して一次元波形を作成する
ことを説明する図、第４図は、チャージアップや、コン
トラストの変動の影響によるパタンの検出ミスを説明す
るための図、第５図は、　（ａ）及び（ｂ）の波形と、
（ａ）の基準波形をずらしながらマツチング量を算出し
たときのマツチング量の変化を（ｃ）、（ｄ）により示
した図、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、次の操作の結合からなる電子ビームを用いた測定装
   置における目的パタン検出方法。 （イ）被測定パタンを電子ビームにより走査し、目的パ
   タンを含む二次電子信号波形を取り込んで、ノイズの除
   去、左右別々のエッジパタン部分の切り出し、左右それ
   ぞれの基準波形を作成した後、これらの基準波形を蓄積
   する操作、 （ロ）信号画像を取り込み、ノイズの除去、左右別々の
   エッジパタン部分の切り出し、同一方向の信号波形を作
   成する操作、 （ハ）上記（イ）において作成された左右それぞれの基
   準波形の内、左（または右）のエッジの基準波形と、上
   記（ロ）の操作によって得られた信号波形のマッチング
   処理を行い、マッチング量が最小になる位置から、左（
   または右）のパタンエッジ位置を検出する操作、 （ニ）上記（イ）において作成された左右それぞれの基
   準波形の内、右（または左）のエッジの基準波形と、上
   記（ロ）の操作によって得られた信号波形のマッチング
   処理を行い、マッチング量が最小になる位置から、右（
   または左）のパタンエッジ位置を検出する操作、 （ホ）上記（ハ）の操作によって得られた左（または右
   ）のパタンエッジ位置と、上記（ニ）の操作によって得
   られた右（または左）のパタンエッジ位置とから、目的
   パタンを検出する操作。 ２、次の操作の結合からなり電子ビームを用いた測定装
   置における目的パタンの寸法を測定する方法。 （イ）被測定パタンを電子ビームにより走査し、目的パ
   タンを含む二次電子信号波形を取り込んで、ノイズの除
   去、左右別々のエッジパタン部分の切り出し、左右それ
   ぞれの基準波形を作成した後、左右の基準波形の各１箇
   所にエッジ位置指定点を設定し、これらの基準波形を蓄
   積する操作、 （ロ）信号画像を取り込み、ノイズの除去、左右別々の
   エッジパタン部分の切り出し、同一方向の信号波形を作
   成する操作、 （ハ）上記（イ）において作成された左右それぞれの基
   準波形の内、左（または右）のエッジの基準波形と、上
   記（ロ）の操作によって得られた信号波形のマッチング
   処理を行い、マッチング量が最小になる位置から、左（
   または右）のパタンエッジ位置を検出する操作、 （ニ）上記（イ）において作成された左右それぞれの基
   準波形の内、右（または左）のエッジの基準波形と、上
   記（ロ）の操作によって得られた信号波形のマッチング
   処理を行い、マッチング量が最小になる位置から、右（
   または左）のパタンエッジ位置を検出する操作、 （ホ）上記（ハ）の操作によって得られた左（または右
   ）のパタンエッジ位置と、上記（ニ）の操作によって得
   られた右（または左）のパタンエッジ位置とから、目的
   パタンを検出する操作、 （ヘ）上記（イ）の操作において得られた左右のエッジ
   位置指定点間の距離からパタンの寸法を測定する操作。 ３、上記（イ）における基準波形の作成、及び上記（ロ
   ）における信号波形の作成は、二次元画像の取り込みを
   行った後、その画像信号を１方向に加算して生成される
   信号の列からなる一次元波形を作成する操作を含むこと
   を特徴とする、特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の電子ビームを用いた測定装置における目的パタンの検
   出、寸法測定方法。