JPH06347246A - 測長機能を備えた走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測長機能を備えた走査電子顕微鏡において、
自動測長の結果が許容範囲を外れた場合に、測長結果が
正しいか否かを容易に判断できるようにする。 【構成】 観察対象の走査像３１やラインプロファイル
波形３２と共に、当該ラインプロファイル信号波形３２
の変化率を表す微分信号波形３３を画面上に重畳表示す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測長機能を備えた走査
電子顕微鏡に係り、特に、半導体ウエハ上の微細パター
ンの幅やピッチ等の寸法を自動的に測定するのに好適な
測長機能を備えた走査電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造過程や検査過程で
は、不良品の発生率を抑えて信頼性の高い製品を生産す
るために、コンタクトホール径やパターン幅を正確に計
測し、計測結果が許容範囲を外れていると当該計測結果
に基づいて生産ラインの管理パラメータが変更される。
したがって、計測結果が不正確であると大きな損害が発
生する可能性がある。

【０００３】近年、この種のサブミクロンオーダーでの
寸法計測に走査電子顕微鏡が多用されるようになってき
た。走査電子顕微鏡を用いた寸法計測では、走査領域内
の１本または複数本の走査によって得られるラインプロ
ファイル信号に基づいてエッジ検出を行い、エッジ間の
距離を検出することにより測長が行われる。

【０００４】ここで、従来のラインプロファイル信号を
利用した最大傾斜法による自動測定の概要を図１２を参
照して説明する。一般的に走査電子顕微鏡による自動測
長では、初めに測長対象の走査像を画面表示し、図１２
(a) に示したように測長範囲を例えば２本のカーソルラ
イン４０ａ、４０ｂで指定する。そして、２本のカーソ
ルライン４０ａ、４０ｂで挟まれた範囲での複数本の走
査信号を垂直方向にライン積算することによりラインプ
ロファイル信号を得る。同図(b) に、このようなライン
積算によって得られるラインプロファイル信号３２の典
型的な波形図を示す。

【０００５】この信号波形でのパターン幅は、パターン
エッジＥ１とＥ２との距離で表されるが、最大傾斜法で
は、パターンエッジＥ１、Ｅ２を決定するために信号波
形の中で傾斜がもっとも急である位置Ａ１（Ａ２）を探
し、Ａ１（Ａ２）を中心とする前後数点の信号データで
決まる直線Ｌｓ１（Ｌｓ２）と、信号波形のベースを構
成する直線Ｌｂ１（Ｌｂ２）とを求め、両者の交点をパ
ターンエッジＥ１（Ｅ２）と定義している。なお、位置
Ａ１（Ａ２）は、同図(c) に示したような、ラインプロ
ファイル信号波形の変化率を表す微分信号３３に基づい
て決定するのが一般的である。

【０００６】微分信号波形３３では、最大値の位置が右
上がりの最大傾斜の位置を示し、最小値の位置が右下が
りの最大傾斜の位置を示す。したがって、微分信号波形
３３上で最大値を見つければ位置Ａ１が、最小値を見つ
ければ位置Ａ２がそれぞれ見つかることになる。

【０００７】なお、このようなラインプロファイル信号
を利用した寸法測長に関しては、例えば特開昭６３−２
６６７４６号公報に記載されており、二次信号の最大値
に基づいてエッジを判断する方法に関しては、例えば特
開平３−２８９５０７号公報に記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】半導体ウエハのプロセ
スルールの微細化が進むにつれてウエハのパターン形状
が多様化し、走査電子顕微鏡を用いた試料の自動寸法測
定も信頼性を確保するのが困難になってきた。

【０００９】例えば、図１１(a) に示したような断面構
造を有する積層構造のパターン形状を測定すると、同図
(b) に示したように、ラインプロファイル波形３２は試
料のエッジ部分で傾斜が２段階に変化する。このような
現象は、試料の材質Ａ、Ｂによって２次電子の放射効率
が異なるために起こる。この波形に対して上記最大傾斜
法による自動測定を適用すると、誤って位置Ｅ１（Ｅ
２）をパターンエッジ位置と判定し、本来のパターンエ
ッジ位置ｅ１（ｅ２）を検出できない。また、このよう
な自動測長に限らず手動による測長であっても、ライン
プロファイル信号波形が試料の断面形状をそのまま表し
てはいないので、熟練者以外の者がラインプロファイル
信号波形３２のみから断面形状や本来のエッジ位置を判
定することは困難であった。

【００１０】また、上記した最大傾斜法に限らず、他の
どんな方式を用いても、今後ますます多様化するウエハ
形状の全てを誤りなく高精度に自動測定するのは困難で
あり、最終的な判断は操作者に頼らざるを得ない。

【００１１】なお、上記した以外にも、走査電子顕微鏡
を利用した全自動測長では、画像の焦点が合っていなか
ったり、異物をエッジと判断してしまった場合に、測長
開始点や終点を誤判断して測長結果に大きな誤差が生じ
ることが知られており、測長結果が許容範囲を外れてい
る場合であっても、必ずしもパターンの寸法や径が異常
であるとは限らない。ところが、従来は測長結果のみを
尊重していたために、実際には許容範囲内に収まってい
るものまで不良と判定してしまうという問題があった。

【００１２】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決し、自動測長の結果が許容範囲を外れた場合
に、この測長結果が正しいか否かを容易に判断できるよ
うにすることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、以下のような手段を講じた点に特
徴がある。 (1) 収束された電子ビームを試料上で走査して測長対象
物の走査像を表示する手段と、走査像のラインプロファ
イル信号を検出する手段と、ラインプロファイル信号の
変化率を示す変化率信号を検出する手段と、変化率信号
の波形を、走査像およびラインプロファイル信号の少な
くとも一方と共に画像表示する手段と、ラインプロファ
イル信号に基づいて測長開始点および終点を判断する手
段と、前記測長開始点および終点間の距離を検出する手
段。 (2) 前記構成(1) に加えて、１組のマークを画面表示す
る手段と、前記各マークをそれぞれ独立的に画面上で移
動させる手段と、各マークで示された走査像上の２点間
の距離を検出する手段。

【００１４】

【作用】上記した構成(1) によれば、ラインプロファイ
ル信号波形の微分波形が画面上に表示されるので、操作
者が当該微分波形を参照すれば、測長結果が予定の許容
範囲から外れていたような場合でも、それがパターン不
良に基づくものであるのか、あるいは測長対象物の形状
に起因した測長ミスに基づくものであるのかを容易に理
解できるようになる。

【００１５】上記した構成(2) によれば、測長ミスが発
生した場合であっても、正規の測長開始点および終点を
１組のマークで指定することにより、正規の位置での再
測長を容易に行えるようになる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。図１は、本発明が適用される測長機能を備えた走査
電子顕微鏡の概略構成を示したブロック図である。電子
銃１より放射された電子ビーム２は、対物レンズ６によ
り細く絞られて試料７に照射される。対物レンズ６は対
物レンズ電源１１により励磁される。偏向信号発生器１
４は、コンピュータ２１によって指示された試料上での
電子ビーム２の走査範囲、走査位置に応じた偏向信号を
偏向増幅器１０を介して偏向コイル５へ供給してこれを
励磁し、電子ビーム２を試料７上で２次元的に走査す
る。

【００１７】また、電子ビーム２の照射に応答して試料
７より発生した２次信号（２次電子信号、反射電子信号
など）は、検出器１２で検出されて電気信号に変換され
た後にＡ／Ｄ変換器１５によってアナログ信号からディ
ジタル信号に変換され、画像メモリ１６に記憶される。
この画像メモリ１６の内容は、常にＤ／Ａ変換器１７に
よりディジタル信号から再びアナログ信号に変換され、
画像表示用ＣＲＴ（陰極線管）１９の輝度信号としてグ
リッドに引加される。このとき、Ａ／Ｄ変換器１５、画
像メモリ１６、Ｄ／Ａ変換器１７は、Ａ／Ｄ変換して記
憶し、更にＤ／Ａ変換して画像表示するためのタイミン
グ信号を偏向信号発生器１４より受け取る。画像表示用
ＣＲＴ１９の偏向コイル２０は、偏向信号発生器１４が
発生する偏向信号を偏向増幅器１８で増幅して得られた
信号によって励磁される。

【００１８】一方、試料７を載置した試料ステージ８
は、ステージ駆動回路１３により移動され、これにより
試料７上での電子ビーム２の走査位置が変化して視野が
移動する。同様の視野移動は、直流増幅器９によってイ
メージシフトコイル３を励磁し、電子ビーム２の試料７
上での走査位置をオフセットすることによっても行え
る。これらの視野移動の移動量はコンピュータ２１によ
って制御される。

【００１９】カーソル信号発生器２２が発生するカーソ
ル信号は、トラックボール２４またはコンピュータ２１
からの信号によって変化し、画像表示用ＣＲＴ１９上に
表示されるカーソルの表示位置を変化させる。コンピュ
ータ２１は、カーソル信号発生器２２の状態から画像表
示用ＣＲＴ１９上での位置情報を取得できる。また、コ
ンピュータ２１は、画像メモリ１６中の画像データの全
部または一部を読み込むことができ、前期カーソル位置
情報と組み合わせることで、カーソル位置を中心とする
一部の画像データから画像のライン積算を行って信号波
形を生成し、画像メモリ１６中の該当位置を変更して、
画像表示用ＣＲＴ１９上に該信号波形（ラインプロファ
イル）を表示する。なお、信号波形の表示は、信号波形
表示専用のメモリを別途設け、該メモリ上の該当位置を
変更し、当該メモリと、前記画像メモリ１６との排他的
論理和をとり、画像表示用ＣＲＴ１９に表示することに
よっても行うことができる。

【００２０】次に、前記図１１(a) 、(b) に関して説明
したような、自動測長では測長ミスが発生する試料に対
して測長を行う場合を例にして本発明を説明する。図２
は、前記図１１(a) に関して説明したような２層構造の
パターンを観察した場合の、本発明の第１実施例による
画像表示用ＣＲＴ１９上での表示内容を示した図であ
り、本実施例では、観察対象の走査像３１やラインプロ
ファイル波形３２と共に、図１１(c) に示したような、
当該ラインプロファイル信号波形３２の変化率を表す微
分信号波形３３を画面上に重畳表示するようにした点に
特徴がある。

【００２１】図１１(a) に関して説明したような２層構
造のパターンを観察した場合、図１１(b) に示したよう
に、ラインプロファイル波形３２は試料のエッジ部分で
傾斜が２段階に変化するため、最大傾斜法による自動測
定を適用すると、誤ったエッジ位置Ｅ１、Ｅ２を正規の
測長開始点および終点と誤判断するため測長ミスが発生
し、測長結果が許容範囲から外れてしまう場合がある。

【００２２】このような場合、従来であれば一義的にパ
ターン不良と判断されていたが、本実施例ではラインプ
ロファイル波形３２の微分波形３３が表示されており、
当該微分波形３３には極値が多数存在し、かつピーク値
の最も大きな極値が正規のエッジと対応していないこと
から、操作者が当該微分波形３３を参照することによ
り、測長結果が許容範囲外であった原因がパターン不良
に基づくものではなく測長ミスに起因したものである可
能性が高いことを認識することができる。

【００２３】すなわち、図１１に関して説明した例では
極値が多数存在することから、最大傾斜法によるエッジ
の判断理論についてある程度の知識を有する操作者であ
れば、正規のエッジとは異なる他のエッジが測長開始点
および終点と誤判断された可能性が高いことを容易に認
識できるようになる。

【００２４】このように測長結果が予定の許容範囲を外
れると、本実施例では自動的あるいは操作者からの指示
に応答して、左エッジ指定用マーク５０Ｌおよび右エッ
ジ指定用マーク５０Ｒが、図３に示したように画面上の
予定位置に重畳表示される。ここで、操作者がトラック
ボールやマウス等の適宜の入力手段を利用し、図４に示
したように各マーク５０Ｌ、５０Ｒを正規のエッジ位置
まで移動する。

【００２５】トラックボールによりマーク５０Ｌ、５０
Ｒを移動する際、本実施例では切り替えスイッチで左エ
ッジ、右エッジのどちらのマークを移動するか選択でき
る。移動中に変化する左右マーク間の距離は、信号波形
上の単位長さと、実パターン上の単位長さとを校正する
係数を乗じて、実時間でパターンの実寸法に変換されて
表示される。したがって、正しい位置までマークを移動
し終わったときに表示されているパターンの実寸法が求
めるパターン幅となる。

【００２６】なお、正規のエッジ位置を指定するための
マークの形状は、上記したような矢印に限定されるもの
ではなく、例えば図５に示したように、走査像３１から
ラインプロファイル波形３２や微分波形３３にまで達す
る縦方向に垂直な直線状のマーク５１Ｌ、５１Ｒであっ
てもよい。また、マ−クの移動手段は、トラックボ−ル
に限定されず、マウスや矢印キ−などでもよい。

【００２７】本実施例によれば、ラインプロファイル波
形の微分波形が表示されて操作者に示されるので、測長
結果が予定の許容範囲から外れていたような場合でも、
それがパターン不良に基づくものであるのか、あるいは
測長対象物の形状に起因した測長ミスに基づくものであ
るのかを容易に理解できるようになる。

【００２８】さらに、マーク等の適宜の手段で正規のエ
ッジ位置を指定することにより当該位置での測長を行う
ことができるので、エッジを誤判断して測長ミスが発生
した場合であっても、正規のエッジ間距離を容易に再測
長できるようになる。

【００２９】なお、上記した実施例では、初めにマーク
５０Ｌ、５０Ｒが表示される位置（図３参照）は特に意
味を持たないが、図１０に示したように、自動測長にお
いて測定開始点および終点の判断された箇所を指示する
ようにしても良い。

【００３０】また、上記した実施例では変化率信号３３
が走査像３１やラインプロファイル信号３２と共に表示
されるものとして説明したが、本発明はこれのみに限定
されず、走査像３１およびラインプロファイル信号３２
のいずれか一方と共に表示されるようにしても良い。こ
のような表示形態によっても、測定開始点および終点が
誤判断されたことの認識や、誤判断時における正規のエ
ッジ位置の指定は同様に行うことができる。

【００３１】次いで、エッジを誤判断して測長結果が予
定の許容範囲を外れた場合に、正規のエッジ位置の指定
を更に簡単かつ正確に行えるようにした本発明の第２実
施例について説明する。

【００３２】図６は、本発明の第２実施例による画面表
示例を示した図である。本実施例では、ラインプロファ
イル波形３２の変化率を、その変化率信号の極値の量子
化レベルを離散的に表示した量子化信号３６で表示する
ようにした点に特徴がある。すなわち、本実施例では、
微分信号の上に凸なピーク（上限値）と、下に凸なピー
ク（下限値）を、その位置での量子化レベルと共にプロ
ットするようにしている。

【００３３】ここで、測長結果が予定の許容範囲を外れ
ると、操作者が当該量子化信号３６を参照することによ
り、前記同様、測長結果が規格外であった原因がパター
ン不良に基づくものではなく測長ミスに起因したもので
ある可能性の高いことを認識することができる。このと
き、前記と同様に自動的あるいは操作者からの指示に応
答して、図７に示したように最大傾斜法によって判断さ
れた左エッジおよび右エッジにマーク５１Ｌ、５１Ｒが
画面上に重畳表示される。本実施例では、ラインプロフ
ァイル信号波形３２の変化率が最も大きい一対のエッジ
位置Ｐ1L、Ｐ1Rが、それぞれ測長開始点および終点と誤
判断されていることがわかる。

【００３４】ところで、このようにエッジ位置を誤判断
した場合であっても、本来のエッジ位置も他のいずれか
の極値上にある可能性が非常に高い。例えば、本実施例
では、正規のエッジは４番目の量子化レベル位置Ｐ4L、
Ｐ4Rに相当する。そこで、本実施例では操作者が予定の
キースイッチを１回押下すると、図８に示したように、
一対のマーク５１Ｌ、５１Ｒの位置が当該最大値のエッ
ジ位置Ｐ1L、Ｐ1Rから第２番目のエッジ位置Ｐ2L、Ｐ2R
に移動するようにした。さらにキースイッチを１回押下
すると、第２番目のエッジ位置Ｐ2L、Ｐ2Rから第３番目
のエッジ位置Ｐ3L、Ｐ3Rに移動する。さらにキースイッ
チを１回押下すると、第３番目のエッジ位置Ｐ3L、Ｐ3R
から正規のエッジ位置である第４番目のエッジ位置Ｐ4
L、Ｐ4Rに移動し、このときのマーク間隔が正規のエッ
ジ間距離として表示される。

【００３５】このように、本実施例ではボタンの押下と
いう単純な作業毎に測定装置がつぎつぎと新たなエッジ
候補を選択するので、前記したトラックボールやマウス
等を利用してエッジ位置を指定する場合に比べて、正規
のエッジ位置の指定を容易かつ正確に行えるようにな
る。

【００３６】なお、上記した実施例では、キースイッチ
を押下してエッジ位置を選択する優先順位が量子化レベ
ルに基づいて決定されるものとして説明したが、本発明
はこれのみに限定されず、ピーク信号情報のうち、左エ
ッジについては最も左のものを、右エッジについては最
も右のものをそれぞれ順番に選択するようにしても良
い。

【００３７】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば以下の
ような効果が達成される。 (1) ラインプロファイル波形の微分波形が表示されて操
作者に示されるので、測長結果が予定の許容範囲から外
れていたような場合でも、それがパターン不良に基づく
ものであるのか、あるいは測長対象物の形状に起因した
測長ミスに基づくものであるのかを容易に理解できるよ
うになる。

【００３８】そして、このような判断が容易になれば操
作者に安心感を与えることができ、精神的負担を軽減で
きるので、特に測定装置の前で長時間測定作業をする作
業者の負担を大幅に軽減できるようになる。 (2) マーク等の適宜の手段で正規のエッジ位置を指定し
て当該位置での測長を行うことができるので、エッジを
誤判断して測長ミスが発生した場合であっても、正規の
エッジ間距離を容易に再測長できるようになる。この結
果、測長ミスの結果が品質管理に利用されることを未然
に防ぐことが可能になる。 (3) ラインプロファイル波形の変化率を、その変化率信
号の極値の量子化レベルを離散的に表示した量子化信号
で表示すると共に、ボタン押下という単純な作業毎に測
定装置が次々と新たなエッジ候補を選択するようにした
ので、正規の位置の指定を容易かつ正確に行えるように
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した走査電子顕微鏡のブロック
図である。

【図２】 本発明の第１実施例における測長対象物の表
示形態の一例を示した図である。

【図３】 測長ミスが発生した場合に正規のエッジ間距
離を測長する方法の一例を示した図である。

【図４】 測長ミスが発生した場合に正規のエッジ間距
離を測長する方法の一例を示した図である。

【図５】 測長ミスが発生した場合に正規のエッジ間距
離を測長する方法の一例を示した図である。

【図６】 本発明の第２実施例における測長対象物の表
示形態の一例を示した図である。

【図７】 測長ミスが発生した場合に正規のエッジ間距
離を測長する方法の一例を示した図である。

【図８】 測長ミスが発生した場合に正規のエッジ間距
離を測長する方法の一例を示した図である。

【図９】 測長ミスが発生した場合に正規のエッジ間距
離を測長する方法の一例を示した図である。

【図１０】 測長ミスが発生した場合に正規のエッジ間
距離を測長する方法の一例を示した図である。

【図１１】 最大傾斜法を採用した自動測長において測
長ミスが発生する原因を説明するための図である。

【図１２】 最大傾斜法を採用した自動測長方法を示し
た図である。

【符号の説明】

１…電子銃、２…電子ビ−ム、３…偏向コイル、５…イ
メ−ジシフトコイル、６…対物レンズ、７…試料、８…
試料ステージ、９…直流増幅器、１０…偏向増幅器、１
１…対物レンズ電源、１２…検出器、１３…ステージ駆
動回路、１４…偏向信号発生器、１５…Ａ／Ｄ変換器、
１６…画像メモリ、１７…Ｄ／Ａ変換器、１８…偏向増
幅器、１９…画像表示用モニタ、２０…偏向コイル、２
１…コンピュ−タ、２２…カーソル信号発生器、２４…
トラックボール、３１…走査像、３２…ラインプロファ
イル信号波形、３３…微分信号波形、３６…量子化信号
波形、５０Ｌ、５１Ｌ…左エッジ用マーク、５０Ｒ、５
１Ｒ…右エッジ用マーク

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 収束された電子ビームを試料上で走査し
   て測長対象物の走査像を表示する手段と、 走査像の予定位置のラインプロファイル信号を検出する
   手段と、 ラインプロファイル信号の変化率を示す変化率信号を検
   出する手段と、 前記変化率信号の波形を、走査像およびラインプロファ
   イル信号の少なくとも一方と共に画像表示する手段と、 ラインプロファイル信号に基づいて測長開始点および終
   点を判断する手段と、 前記測長開始点および終点間の距離を検出する手段とを
   具備したことを特徴とする測長機能を備えた走査電子顕
   微鏡。
2. 【請求項２】 前記変化率信号は、ラインプロファイル
   信号の微分値に基づいて算出された微分信号であること
   を特徴とする請求項１記載の測長機能を備えた走査電子
   顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記微分信号は、微分値の各極値におけ
   る量子化レベルを離散的に表した量子化信号であること
   を特徴とする請求項２記載の測長機能を備えた走査電子
   顕微鏡。
4. 【請求項４】 １組のマークを画面表示する手段と、 前記各マークをそれぞれ独立的に画面上で移動させる手
   段と、 各マークで示された走査像上の２点間の距離を検出する
   手段とを、さらに具備したことを特徴とする請求項１な
   いし３のいずれかに記載の測長機能を備えた走査電子顕
   微鏡。
5. 【請求項５】 前記１組のマークは、前記微分値の測長
   開始点および終点に応答した一対の極値を発生する位置
   のそれぞれを入力操作に応じて選択的に順次指定するこ
   とを特徴とする請求項４記載の測長機能を備えた走査電
   子顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記１組のマークは、前記微分値の測長
   開始点および終点に応答した一対の極値を、量子化レベ
   ルが最も大きい一対の極値を発生する位置、および最も
   小さい一対の極値を発生する位置のいずれか一方から順
   次指定することを特徴とする請求項５記載の測長機能を
   備えた走査電子顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記１組のマークは、前記微分値の測長
   開始点および終点に応答した一対の極値を、量子化信号
   の内側および外側のいずれか一方から順次指定すること
   を特徴とする請求項５記載の測長機能を備えた走査電子
   顕微鏡。