JPH0361807A - 膜厚測定方法および測定装置 - 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】 〔発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、走査型電子顕微鏡を用いて半導体ウェハなど
の被検査体の膜厚測定を行う膜厚測定方法および測定装
置に関する。

（従来の技術） 被検査体として例えば半導体ウェハでは、この半導体ウ
ェハの表面に形成された薄膜やレジストなとの膜厚を高
精度に測定することが要求されている。かかる測定方法
たしては、触針をウエノ１の測定位置に押し当てた状態
でウニ／Ｘまたは触針を移動させ、触針の上下動を拡大
してペンレコーダなどに記録し、その記録波形から膜厚
を求めるようにした接触式測定法と、ウエノ＼の測定位
置に光を入１ｊさせ、このときの薄膜またはレジストに
おける屈折率の差を検出して膜厚を求めるようにした非
接触式測定法とがある。

しかしながら前者は触針の大きさによって測定可能な薄
膜またはレジストの形状が制限される上、触針によって
ウェハに致命的なキズをつけてしまうおそれがある。一
方、後者は上述したような接触式測定法における欠点は
無いが、光の屈折率の差を利用しているため、同レベル
の屈折率を有する薄膜またはレジストが重なり合ってい
ると測定が困難となる。

（発明が解決しようεする課題） このように従来技術では半導体ウエノ１などの被検査体
に対する膜厚測定を微小領域まで高精度にしかも致命的
な傷をつけること無く行うことが困難であった。

そこで本発明は、被検査体の微小領域まで高精度にしか
も致命的な傷をつけること無く安全に膜厚を測定できる
膜厚測定方法およびこの測定方法を利用した膜厚測定装
置を提供しようとするものである。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段と作用） 本発明の膜厚測定方法は、被検査体面上に電子ビームを
走査させることによりこの被検査体から放出される２次
電子を検出１７て被検査体の画像データを得る走査型電
子顕微鏡に対し、電子ビームの走査を制御して被検査体
面上の膜厚測定位置に一走査方向のビーム照射マークを
記し、次に被検査体をビーム照射マークの一走査方向を
軸にして所定角度傾斜させてビーム照射マークのずれ量
を測定し、このずれ量に基づいて被検査体の膜厚を算出
するようにしたものである。

本発明の膜厚測定装置は、被検査体面上に電子ビームを
走査させることによりこの被検査体から放出される二次
電子を検出して被検査体の画像データを得る走査型電子
顕微鏡と、電子ビームの走査を制御して被検査体面上の
膜厚測定位置に一走査方向のビーム照射マークを記すマ
ーク記録手段と、被検査体をビーム照射マークの一走査
方向を軸に１７で所定角度傾斜させる被検査体傾斜制御
手段乏、この制御手段による被検査体の傾斜により生じ
たビーム照射マークのずれ量を測定するずれ量測定手段
と、この測定手段により測定されたマークずれ量に基づ
いて被検査体の膜厚を算出する膜厚演算手段εを備え、
上記走査型電子顕微鏡に対して電子ビームの走査を制御
して被検査体面上の膜厚測定位置に一走査方向のビーム
照射マークを記し、次いで被検査体をビーム照射マーク
の一走査方向を軸にして所定角度傾斜させてビーム照射
マークのずれ量を測定し、このずれ量に基づいて被検査
体の膜厚を算出している。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する
。

第１図は半導体ウェハの膜厚測定装置の全体構成図であ
る。同図において１は走査型電子顕微鏡であって、この
走査型電子顕微鏡１は電子ビーム２を走査しながら被検
査体である半導体ウェハ３の表面上に照射し、この半導
体ウェハ３から放出される２次電子を捕捉１７て半導体
ウェハ３の画像データを得る機能を持ったものである。

その構成は、筐体内に電子ビーム２を放出する電子銃４
．！：、被検査体としての半導体ウェハ３を載置するた
めの傾斜可能なＸＹθステージ５とが対向配置されてお
り、かつ電子銃４から放出された電子ビーム２の経路に
沿ってこの電子ビーム２を収束する第１、第２磁気レン
ズ系６，７と、電子ビーム２をＸ方向（主走査方向）お
よびＹ方向（副走査方向）にそれぞれ偏向する偏向コイ
ル系８．９とが配置されている。また、ＸＹθステージ
５の近傍にはこのステージ上に載置される半導体ウェハ
３から放出される２次電子を検出して電気的な画像信号
に変換するためのシンチレータ、光電子増倍管からなる
２次電子検出器１０が設けられている。

１１はマイクロプロセッサ等から構成された演算制御部
であって、この演算制御部１１には、前記２次電子検出
器１０から出力され、増幅器１２にて増幅された画像信
号をディジタルな画像データに変換するＡ／Ｄ変換器１
３、前記偏向コイル系８．９の通電を制御して電子ビー
ム２の走査方向を制御する走査コントローラ１４、前記
ＸＹθステージのＸ方向、Ｙ方向およびθ方向（Ｘ方向
を回転軸とした方向）への移動を制御するステージコン
トローラ１５、前記走査型電子顕微鏡１により得られた
１フレ一ム分の画像データを記憶する画像メモリ１６、
ＣＲＴデイスプレィ等の画面表示器１７を駆動制御して
上記画像メモリ１６内の画像データに対応する画像等を
表示させる表示コントローラ１８、上記画面表示器１７
の画面上に表示されるカーソルを移動させるためのカー
ソル操作部１９がそれぞれ接続されている。

しかして、上記演算制御部１１は、第２図の流れ図にし
たがって被検査体としての半導体ウェハ３における薄膜
やレジストの膜厚を測定するようにプログラム制御され
ている。すなわち、流れ図を開始すると、先ず被検査体
としての半導体ウェハ３が載置されたＸＹθステージ５
の傾きθを０°とした状態で走査コントローラ１４を制
御し、電子銃４からの電子ビーム２を上記半導体ウェハ
３上に走査させて、２次電子検出器１０．増幅器１２お
よびＡ／Ｄ変換器１３を介して１フレ一ム分の２次電子
画像をディジタルな画像データとして取り込み、その画
像データを画像メモリ１６に格納する。また、表示コン
トローラ１８を制御して画面表示器１７に画像メモリ１
６内の画像データに対応する２次電子画像を表示させる
。第３１図（ａ）にこのときの表示画面を示す。なお、
第３図（ａ）〜（ｄ）において３ａは半導体ウェハ３゛
上に形成された膜厚測定対象の薄膜である。

次に、第３図（ａ）に示す如く画面表示器１７の表示画
面にＸ方向に対向配置された一対のカーソル２０ａ、２
０ｂを表示させ、カーソル操作部１つの操作信号に応じ
てこの一対のカーソル２０ａ、２０ｂを移動させてＸ方
向に平行な膜厚測定位置の指示を待つ。この膜厚測定位
置の指示があると上記一対のカーソル２０ａ、２０ｂを
結ぶＸ方向の直線上を膜厚測定位置とし、走査コントロ
ーラ１４を制御して先ず電子ビーム２のＹ方向の走査を
膜厚測定位置（Ｙｏ）で固定し、この状態で電子ビーム
２をＸ方向のみに数回（１０〜１００回）走査させて、
半導体ウェハ３上にビーム照射マークを記す。しかる後
、再度半導体ウェハ３上に電子ビーム２を走査させて１
フレ一ム分の２次電子画像を取り込み、その画像データ
を画像メモリ１６に格納するとともに、画面表示器１７
にその画像データに対応する２次電子画像を表示させる
。第３図（ｂ）にこのときの表示画面を示す。同図にお
いて２１がビーム照射マークである。なおこの、ビーム
照射マーク２１は電子ビーム２の照射によって生じたコ
ンタミネーション（主に成分は′Ｃ”）によるものであ
る。

次に、ステージコントローラ１５を制御してＸＹθステ
ージ１５をＸ方向を軸に所定角度θ。　　（≠０°）だ
け傾かせる。そして、この状変電子ビーム２を走査させ
て１フレ一ム分の２次電子画像を取り込み、その画像デ
ータを画像メモリ１６に格納するとともに、画面表示器
１７にそ態で再の画像データに対応する２次電子画像を
表示させる。第３図（Ｃ）にこのときの表示画面を示す
。

次に、第３図（ｄ）に示す如く画面表示器１７の表示画
面にＹ方向に対向配置された一対のカーソル２０ｃ、２
０ｄを表示させ、カーソル操作部１９の操作信号に応じ
てこの一対のカーソル２０ｃ、２０ｄを移動させてビー
ム照射マーク２１のずれが指示されるのを待つ。このビ
ーム照射マーク２１のずれの指示があると上記一対のカ
ーソル２０ｃ、２０ｄの間隔ｐをずれ量として測定し、
このずれ量ｇとステージ１５の傾斜角度θ。とに基づい
て測定位置における膜厚ｄを算出する。因みに、第４図
に示すようにずれｍｎはｄ　ｓｉｎθであるので、膜厚
ｄは、 ｄ＝αＮ／ｓ１ｎθ　　　　　　　　−（１）で求めら
れる。ここで、αは走査型電子顕微ｍｌに対ｊ７て予め
求められた校正用変換値（μｍ／間隔）である。

このような構成の本実施例においては、被検査体εして
の半導体つ玉ハ３を走査型電子顕微鏡１内のＸＹθテー
ブル５上に載置したならば、このウェハ表面への電子ビ
ーム２の走査を開始させる。

これにより、電子銃福から放出された電子ビーム２は半
導体ウェハ３の表面を走査し、ウエノ１表面からは２次
電子が放出される。そして、この２次電子が２次電子検
田器１０によって検出されて１フレ一ム分の２次電子画
像が得られ、この２次電子画像は画面表示器１７に表示
出力される。、［第３図（ａ）参照］ 次に、画面表示器１，７の画面上に表示されている一対
のカーソル２０ａ、２０ｂをカーソル操作部１９で操作
して半導体ウェハ３における膜厚側定位Ｅ（Ｘ方向に平
行）を指示する。そうすると、この膜厚測定位置に沿っ
て半導体ウェハ３上に電子銃４からの電子ビーム２が照
射されてウニｌ＼３の表面にビーム照射マーク２１が記
録される。

［第３図（ｂ）参照］ しかる後、ＸＹθテーブル５がＸ方向を軸に所定角度（
θ０　）だけ傾斜し、この状態で電子ビーム２の走査が
行われて１フレ一ム分の２次電子画像が得られ、この２
次電子画像は画面表示器１７に表示出力される。［第３
図（ｃ）参照〕そこで、画面表示器１７の画面上に表示
されている一対のカーソル２０ｃ、２０ｄをカーソル操
作部１９で操作してビーム照射マーク２１のずれを指示
する。そうすると、上記一対のカーソル２０ｅ、２０ｄ
の間隔ｇからビーム照射マーク２１のずれ量ｇが測定さ
れ、このずれｆｆｉ、Ｑとステージ１５の傾斜角度θ。

とに基づいて前Ｈａ（１）式により膜厚測定位置におけ
る膜厚ｄが算出される。

こうして算出された膜厚データは例えばプリンタによっ
て印字出力され、あるいはディジタル表示器によって表
示出力される。

このように、被検査体に対して非接触で膜厚を測定する
こεができ、その分解能は電子顕微鏡１、の拡大率εＸ
Ｙθステージ５の傾き角０の精度で決定され、市販きれ
ている電子顕微鏡の仕様から推測する己、分解能は約２
００人（＝　０．０２＃ｍ／ｓｉｎ　８０’　）まで可
能である。しかも従来の非接触測定法とは異なり被検査
体の屈折率に依存することなく膜厚の測定が可能である
。

また半導体ウェハ上に形成されたパターンの高密度化に
より微小な領域の膜厚を測定しようとした場合、従来の
接触測定法では触針の大きさによってその測定領域が制
限されたが、本実施例では膜厚測定位置に付されたビー
ム照射マークの被検査体を傾けたときのずれ量により膜
厚を測定しているので、測定領域に制限を受けることは
ない。

なお被検査体上にビーム照射マークが記録されるが、こ
れは数ｐｍ　０．０２１−程度であるため影響は無く、
致命的な傷さなるおそれは全くない。

なお、被検査体としては半導体ウェハに限定されるもの
でないのは勿論である。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明によれば、被検査体の微小
領域まで高精度にしかも致命的な傷をつけること無く安
全に膜厚を測定できる膜厚測定方法およびこの測定方法
を利用した膜厚測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示す図であって、第１図は膜厚
測定装置の全体構成図、第２図は本発明方法に係わる演
算制御部の動作を示す流れ図、第３図（ａ）〜（ｄ）は
本発明方法の膜圧測定に至るまでの表示画像例を示す図
、第４図は本発明方法の膜圧測定の概念図である。 １・・・走査型電子顕微鏡、２・・・電子ビーム、３・
・・半導体ウェハ（被検査体）、４・・・電子銃、５・
・・ＸＹθステージ、１０・・・２次電子検出器、１１
・・・演算制御部、１４・・・走査コントローラ、１５
・・・ステージコントローラ、１６・・・画像メモリ、
１７・・・画面表示器、１９・・・カーソル操作部、２
０ａ〜２０ｄ・・・カーソル、２１・・・ビーム照射マ
ーク。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検査体面上に電子ビームを走査させることによ
   りこの被検査体から放出される２次電子を検出して前記
   被検査体の画像データを得る走査型電子顕微鏡により前
   記被検査体の膜厚を測定する膜厚測定方法において、前
   記電子ビームの走査を制御して前記被検査体面上の膜厚
   測定位置に一走査方向のビーム照射マークを記し、次に
   前記被検査体を前記ビーム照射マークの一走査方向を軸
   にして所定角度傾斜させて前記ビーム照射マークのずれ
   量を測定し、このずれ量に基づいて前記被検査体の膜厚
   を算出することを特徴とする膜厚測定方法。
2. （２）被検査体面上に電子ビームを走査させることによ
   りこの披検査体から放出される二次電子を検出して前記
   被検査体の画像データを得る走査型電子顕微鏡と、前記
   電子ビームの走査を制御して前記被検査体面上の膜厚測
   定位置に一走査方向のビーム照射マークを記すマーク記
   録手段と、前記被検査体を前記ビーム照射マークの一走
   査方向を軸にして所定角度傾斜させる被検査体傾斜制御
   手段と、この制御手段による前記被検査体の傾斜により
   生じた前記ビーム照射マークのずれ量を測定するずれ量
   測定手段と、この測定手段により測定されたマークずれ
   量に基づいて前記被検査体の膜厚を算出する膜厚演算手
   段とを具備したことを特徴とする膜厚測定装置。