JPS62237307A - 寸法測定装置 - 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〕 （腫業上の利用分野） 本発明は、たとえば半導体ウエノ・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装置に関す
る。

（従来の技術） 従来、半導体ウェハのパターン幅を測定スル方法として
、光学顕微鏡を用いた測微計、工業用テレビジ冒ン（Ｉ
ＴＶ）カメラ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等
の光学的に像を拡大したり、ビーム径を細くして分解能
を向上させた」り定法がほとんどであった。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
あててその時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１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・ありた。しかるに、近時。

ＬＳＩ及び超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
っている。

しかし、従来の光学的手段では倍率的正こ制限があり、
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形
状の違い等）、その測定結果にばらつきが生じ、高精度
の測定ができない。さらに。

走査型１ｄ子顕微鏡を用いた方法では２倍率の調整が不
十分であったり、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
定が困難となっていた。

そこで、電子顕微鏡に寸法測定を行わせる電気回路を接
続し、電子顕微鏡から出力されるパターンの二次電子信
号に基づいて、二次電子信号が上記パターンの内側と外
側とでレベルが異なることを利用して、パターンの縁部
の内側の画像信号を直線で近似し、また、外側の画像信
号の平均値を求め、これらの交点からパターンのエッヂ
を求めパターン寸法を測定する方式があった（例えば。

特願昭５９−８８４５５号明細＃診照）。

しかしながら、上記画像は、ノイズが大きくそのままで
は寸法測定に利用することはできない。

そこで、従来においては、加算平均法、フーリエ変換法
、平滑化法等によりノイズ除去を行っていた。しかし、
上記加算平均法はサンプル上の同一場所に、繰返し電子
ビームを照射し、２次電子信号を加算していき、ノイズ
を相殺して除するものであるので、サンプルに損傷を与
える虞がある。

また、フーリエ変換法では、カットする周波数の設定次
第で、波形の重要な成分を消去してしまう欠点をもって
いる。さらに、平滑化法では、全体にわたって、同じよ
うに平均化してしまうので。

パターン部分と下地部分との区別が不明確となる欠点を
もっている。

（発明が解決しようとする問題点） 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、　Ｓ　ＥＭ　（５ｃａｎｎｉｎｐ　
ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と呼ぶ。）を
用いて、たとえば半導体ウェ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
寸法測定装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作用）ＳＥＭ本体部に
寸法測定部を電気的に接続し、上記寸法測定部にてＳＥ
Ｍ本体部から出力された寸法測定されるパターンを示す
画像信号に基づいて。

上記パターンの輪郭を示す縁部を０画像信号が上記パタ
ーンの縁部の内側と外側とでレベルが変化していること
を利用して、両者の交点を求めること（こより決定する
とともに、求められた複数の縁部間の距離を自動的に算
出するようにしたものにおいて、パターンを示す画像信
号を変化率に基づいて複数の領域に区画し、これら各領
域ごとに異なる重み付けで平滑化を行って、ノイズを除
去するようにしたものである。

（実施例） 以下１本発明を図面を参照して、実施例に基づいて詳述
する。

第１図は１本実施例の寸法測定装置の構成図である。こ
の寸法両足装置は、走査型電子顕微鏡（５ｃａｎｎｉｎ
ＩＩＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　；以下
、たんにＳｇＭと略記する。）本体ｇ　（１１と、この
８ＨＭ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）とからなっている。上ｄピ本
体部（１）は１図示せぬ電源１こより電子を放出する電
子銃（３）と、この電子銃（３１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
、基準となるクロッフィコ号ＰＳを出力する基′＄信号
発生部（６）と、この基準信号発生部（６）から出力さ
れたクロック信号ＰＳに基づいて電子線束（４）をラス
ク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（力と１図示せぬ倍率切換スイッチの設定により
上記掃引信号発生部（力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）に制御償＋４Ｆ
Ｃ８Ｉを出力する倍率切換部（９）と、上記制御信号Ｃ
８Ｉ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αＱ上に電子線束（４）を照射する対物レ
ンズａυと、測定試料αωから放出される二次電子を集
捉する二次電子検出器αダと、この二次電子検出器（１
りからの信号を増幅する増幅部ａ３と、この増幅部Ｑ３
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８８により後述するＣＲＴ　（Ｃ
ａｔｈｏｄｅ　Ｒａｙ　Ｔｕｂｅ　）（１滲に画像を表
示させるための画像信号増幅器四と。

図示せぬ載置台上に保持された測定試料αｌの特定部位
の拡大画像を表示するＣＲＴ０４とから構成されている
。一方１寸法測定部（２）は、基準信号発生部（６）か
らのクロック信号ＰＳ及び掃引信号発生部（力からの掃
引信号ＳＳに基づいて制御信号ＳＴを出力するタイミン
グ制御部ｕＱと、このタイミング制御部（１ｅから出力
された制御信号ＳＴによって画像信号Ｉｓをディジタル
値に変換するアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ　）変換部
ｑηと、この〜■変換部（１７＞から出力されたディジ
タル値をタイミング制御部ａｅから出力された制御信号
５Ｉ）ｌこ基づいて記憶する表示用画像メモリ部α〜と
、　Ａ／Ｄ変換部住ηから出力されたディジタル値をタ
イミング制御部αｅから出力された制御信号８Ｍに基づ
いて記憶する測長用画像メモリ部（１１と。

ＣＲＴ　（１４）上Ｊこ複数のカーソルをＳＥＭ本体部
（１）からの画像又は表示用画像メモリ部αυに記憶さ
れた画像データに基づく静止画像に重ね合わせて表示す
るためのグラフィック画像メモリ部（至）と、このグラ
フィック画像メモリ部翰の入力側に接続されカーソルを
いろいろ動かしたりするカーソル設定部（２ηと、測長
用画像メモリ部翰及びグラフィック画像メモリ部（支）
からのデータを読み出しかつ各種演算処理機能と記憶機
能を有するＣＰＵ部Ｔ２４と、後述する平滑化係数テー
ブルの値が格納された平滑化係数メモリ部（２２ａ）と
、測長用画像メモリ部■１表示用画像メモリ部舖、グラ
フィック画像メモリ部翰のデータをＣＲＴ＜１４）に表
示するため各種制御を行なう表示制御部（ハ）と、測長
用画像メモリ部（ＩＩ１表示用画像メモリ部α印、グラ
フィック画像メモリ部翰及び表示制御部Ｃ２３の出力側
に接続されディジタルデータをアナログ変換してＣ几Ｔ
Ｑ４）に出力８表示するためのディジタル−アナログ（
Ｄ／Ａ　）変換部（財）とより構成されている。そして
、上記表示制御部Ｑは１画像信号増幅器（Ｌｉ２Ｓにも
接続され１表示用画像メモリ部αＱにおいて記憶されて
いる画像データをＣＲＴ　Ｑ４）にて表示させる制御信
号風を出力するようになっている。

つぎに、上記のように構成された寸法測定装置の作動に
ついて詳述する。

まず、ＳＥＭ本体部（１）の載置台に例えばＬ８Ｉ等の
パターンが形成された半導体ウェハなどの測定試料（１
υ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、コンデンサーレンズ（５）・・・に
より縮小され２倍率切換部（９）から出力された制御信
号Ｃ８Ｉにより走査コイル部（８）にてＸ−Ｙ方向にラ
スク走査を行い、対物レンズαυでさらに縮小して測定
試料（１Ｇ上に照射される。すると、測定試料α〔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αの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（ｔりから出力された電気信号は増幅
器（１３にて増幅され１画像信号Ｉｓとして画像信号増
幅器（１５１に出力される８この画像信号増幅器（Ｉ！
１９にては、掃引信号発生部（７）から出力された掃引
１ぎ号ＳＳと上記画像信号Ｉｓとを組合わせてＣＲＴ（
１４に画像として表示させる。一方１画像信号Ｉｓは、
タイミング制御部（１６１より出力された信号ＳＴによ
って、　Ａ／Ｄ変換部αηにてＡ／Ｄ変換され、まず１
表示用画像メモリ部α印に、１画面分格納される。表示
用画像メモリ部賭は９例えば第２図に示すように、　５
１２　ｘ　５１２　ｘ　８ビット程度の容量を持ってい
る。格納されたデータは１表示制御部のの信号ＭＣ、Ｍ
Ｄによりて、　Ｄ／Ａ変換部ｃ！引こよって、アナログ
信号に変換され、制御信号風によってＣＲＴ　（１４）
で静止画像として表示される。つぎに１表示されたパタ
ーンＰに対し、カーソル設定部ＣＤを操作して、信号Ｋ
Ｓをグラフィック画像メモリ部（イ）及びＤ／Ａ変換部
０４１を介してｃａ’ｒ（１４）に出力し、２本のカー
ソル（２５ａ）、　（２５ｂ）で、パター７Ｐをはさむ
様ニ設定する（第３図参照）。この時、カーソル（２５
ａ）。

（２５ｂ）の位置は、カーソル設定部−より出力された
信号に８で、グラフィック画像メモＩＪ　ｇ（２）今に
書き込まれ、光示用画像メモリ部α樽と完全に重ね合わ
さりて表示される。一方、　ＣＰＵ部（２２は、グラフ
ィック画像メモリ部■より、カーソル（２５ａ）、　（
２５ｂ）のアドレスデータを読み取り、そのアドレスデ
ータを信号ＳＡで、掃引信号発生部（７）に送る。掃引
信号発生部（７）は、　カー：／　＃　（２５ａ）、　
（２５ｂ）で指定された領域のみ電子線束（４）を走査
する。今回も同様に。

画像信号Ｉｓを、　Ａ／Ｄ変換部σＤでディジタル値に
変換し、測長用画像メモリ部ａ■に格納する。この測長
用画像メモリ部ｕ９にては、−走査線について。

表示用画像メモリ部（１樽に比べ、数倍〜数十倍の密度
でデータを格納する。例えば、１走査線あたり。

２０４８点程度収集する。しかし、全画面にわたってデ
ータ収集するわけでなく、カーノ／Ｉ／（２５ａ）、（
２５ｂ）で指定した任意の場所のみである。しかして、
カーソル（２５ａ）、　（２５ｂ）で指定した部分の画
像データを、順次、測長用画像メモリ部（ｌＬｊに格納
していくが１通常、　Ｓ／Ｎ　（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏ１
ｓｅ）比の悪い信号ニラいては、ｆｆｔｇ処理を行なう
（第４図ブロックＣｅ。

□□□）。これは、同じ場所をくり返し走食し、同一点
のデータを順次加算していき、最終的に、積算回数で除
算等を行なって規格化する方法である。

一方、　Ｓ／Ｎ比の良い信号については、積算処理を行
なわず、１回のサンプリングで終了する（第４図ブロッ
ク（２ｆ９）。つぎに、得られた波形Ｗ（第５図参照）
について、ノイズ除去を行なう。なお。

実際の波形Ｗは、第６図に示すように、ノイズのためは
るかに乱れたものとなっている。このような波形につい
ては、通常、平滑化処理が行われるが、よく使用される
のは、　　５ａｖｉ　ｔｚｋｙ　ｋ　Ｇｏｌａｙの平滑
化方法（「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ
　Ｊの第３６巻、第８号。

第１６２７頁〜第１６３９頁を参照。）である。しかし
。

この方法では、どの領域も一様に同程度の平滑化処理を
行うことになるので、必要とする急峻な立上りの波形も
、平坦で比較的ゆっくりしたうねりの波形も同様に処理
してしまう。そこで、第５図（Ａ）に示す波形Ｗについ
て微分処理し第５図（Ｂ）に示すような微分波形ＷＤを
求める（第４図ブロック０４１）。つぎに、正から負、
また、負から正になる変曲点ＰＩＩ〜ＰＩ６を求める。

これら変曲点ＰＩＩ〜ＰＩ６は１元の波形Ｗにおいて大
きく変化する点である。つぎに、変曲点ＰＩＩ〜ＰＩ６
を境界点として、波形罰を領域ＤＡ、〜、ＤＧの７つの
領域に区分けする（力４図ブロック＠）。ついで、各領
域ＤＡ、〜、ＤＧについて、それぞれ異なった画素数で
。

前記５ａｖｉｔｚｋｙ　＆　Ｇｏｌａｙの方法を用いて
、平滑化する（＠４図ブロック国）。たとえば、領域Ｄ
Ａ、ＤＧは、１７画素、領域ＤＢ、　ＤＣ，ＤＥ、　Ｄ
Ｆは、５画素、領域ＤＤは、１１画素で平滑化する。ち
なみに、第７図（Ａ）の波形について、５画素平滑化処
理を行ったものが、第７図（Ｂ）である。つまり、急峻
に立上る領域ＤＢ、　ＤＣ，ＤＢ、　ＤＦは、平滑化は
あまり強くしない（画素数を少なくする。）方がよいの
で画素数は少なくし、反対に、下地領域ＤＡ、　ＤＧは
、平滑化は強く行う（画素数を多くする。）方が、平坦
部分が得られるので好ましい。この場合、たとえば。

第７図（Ａ）中の点Ｄ４についての平滑化のための計算
式は、次式で表わされる。

ただし、　Ｗ１＝−３，Ｗ２＝１２．　Ｗ３＝１７．　
Ｗ４＝１２．　Ｗ５＝−３゜Ｎｏ几Ｍ＝３５である。つ
まり、この場合１画素数５では平滑化係数ＮＯＲＭ　＝
　３５であるが、この平滑化係数は、前述した平滑化係
数メモリ部（２２ａ）に格納されている。要するに、急
峻な波形は、なるべく原形を損うことなく、また、平坦
なノイズの多い信号については、なめらかな波形になる
ように。

各別に平滑化することにより、後での寸法測定を行いや
すいようにする。なお、第８図は、第６図の波形につい
て、この実施例の平滑化処理を行った波形を示す。しか
して、上記ノイズが除去された波形について、第９囚で
示すように、カーソル（２５ａ）、　（２５ｂ）により
寸法測定する判別領域を指定する（第４図ブロック（至
））。判別領域は１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９図に示す一方の側縁部における最大値ｌ！５１Ｊ及
び最小値６のを求める（第４図ブロック０４１）。しか
して、最大値６υと最小値６つとの間において任意に２
点ｆｉ、５７）を選択し、直線近似する範囲を指定する
（第４図ブロックｃ３９）。つぎに、これら２点（至）
、６９間のデータに対して、最小二乗法にて回帰直線６
９を求める（第４図ブロック（至））。さらに、最小値
６ａと点６Ｄとの間のデータすなわち平坦な部分のデー
タを最小二乗法にて二次曲線６υに近似する（第４図ブ
ロックＣ３７）　）。つぎに１回帰直線６１および二次
曲線６υの交点５３）を求める。同様にして、他方の側
縁部における回帰直線σ荀および基、底部の二次曲線（
ハ）を求め、゛それらの交点σｅを算出する（第４図ブ
ロックＣ３８）。上記交点−，σｅの位置はＣＢＴ　０
４）　ｌこて表示するとともに１両者の間隔（画素数）
を求め１倍率切換部（９）で決められた１画素当りの寸
法を乗算し、寸法に変換する（第４図ブロック（ＩＩ　
）。そうして、カーソル（２５ａ）、　（２５ｂ）が複
数の走査線にわたっているときは、別のラインについて
同一の処理を繰返して行う（第４図ブロック（４０）。

しかして、各ラインについて得られたパターンＰの＠Ｄ
を示す寸法に基づいて、各檻統計処理たとえば平均値演
算、標準偏差演算を行う（第４図ブロック（４υ）。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図ブロック制。

かくして、不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。とくに本実施例においては、平滑化処理
を、半導体パターンを示す得られた波形の複数の領域ご
とに、それぞれの変化率の度合に対応して行っているの
で、下地部分とパターン部分とを明確に峻別することが
できるようになるので。

高精度寸法測定が可能となる。つまり、急峻に立上る領
域は０画素数を少なくして平滑化を抑制し。

逆に、平坦な下地領域は１画素数を多くして平滑化を強
く行うようにしているので１両者の区別が明確化し１寸
法測定を正確に行うことができる。

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９０度スキャン四−テーシ冒
ンすることにより同様の方法で可能となる。また、パタ
ーン幅の測定に限ることなく、第１０図（ａ）に示すよ
うに２本のパターンＰ、。

Ｐ２のそれぞれの内部６ζカーソル（２５ａ）、　（２
５ｂ）を設定して、第１０図Φ）に示すような波形ＱＬ
Ｉより上記実施例と同様にして１回帰直線缶、（２）お
よび、基底部の二次面ｆｆａ（へ）を求め、これらの交
点ｓ＊、鋤よりパターンＰ１．　Ｐ！の間隔を求めるこ
ともできる。さらに、第１１図（ａ）に示すパターンＰ
ｓ、Ｐ、のピッチも求めることができる。すなわち、カ
ーソル（２５ａ）。

（２５ｂ）でパターンＰ３の左（右）側縁部をはさみ、
カーソル（２５Ｃ）、　（ｚｓｄ）でパターンＰ、の左
（１５）側縁部をはさむ。しかして、上記実施例と同様
にして。

第１１図（ｂ）に示す波形（ハ）より回帰直線（至）、
０υおよび基底部の二次曲線（イ）、器を求めたのち、
これらの交点（ト）、　（９４ＪよりパターンＰ、、Ｐ
、のピッチを求めることができる。さらにまた、上記実
施例においては、測定試料αＱとしてＬＳＩ用の半導体
ウェハを用いているが１μｍ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装置を適用できる。

また１表示用画像メモリ部賭にデータ格納の場合は、１
子線束の走査速度をはやくシ、測長用画像メモリ部（１
！Ｊにデータを格納する場合は、できるだけＳハ比のよ
い信号をとり込むために、走丘速度をおそくしても良い
。さらに、上記実施例におけるノイズ除去法の一つであ
る平滑化処理法を行う前に、制御１１号凧により、１ラ
イン当り、１０２４画素に分割し１画像メモリ部αｌを
複数回取込み、平均化するようにしてもよい。さらにま
た、この発明に、ＳＥＭからの出力信号に限ることなく
：、ＣＣＤ。

ＩＴＶなどのイメージセンサからの画像信号に対しても
適用できる。

〔発明の効果〕

本発明の寸法測定装置は、ＳＥＭ本体に、この８ＥＭ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寸法測定部を連設したので
、測定者によるばらつき、読み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。

とく１こ１本発明においては、得られた検出信号を微分
処理により複数の領域に区画し、各領域ごとに、異なる
重み付けで平滑処理を行っているので、下地部分とパタ
ーン部分との区別を截然と行うことができるので、パタ
ーン近傍の下地部分からの二次電子信号が、大きく変化
している場合に有効である。したがって１本発明の寸法
測定装置を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
頼性をもりて行うことができる。その結果、半導体製品
の品質向上及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夷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の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図は第１図の寸法測定装置
による寸法測定手順を示すフローチャート、第５図ｎは
それぞれ得られた波形とこの波形を微分処理した微分波
形を模式的に示すグラフ、第６図は実際に得られた波形
を示すグ、ラフ、第７図（Ａ）、　（Ｂ）は５ａｖｉ　
ｔｚｋｙ　＆Ｇｏ　１１　ａｙの平滑化法の説明図、第
８図は第６図の波形を平滑化した後の波形を示すグラフ
、第９図はパターン幅の求め方を説明するためのグラフ
、第１０図ないし第１１図は第１図の寸法測定装置によ
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）　：　＠子線束、　　　　（１［）　：測定試料
。 α４１＝ＣＲＴ（表示部）、 α騰：表示用画像メモリ部。 ｕ９：測長用画像メモリ部。 Ｑυ：カーソル設定部。 四：　ＣＰＵ部（演算制御部）。 （２２ａ）　：平滑化係数メモリ部。 （２５ａ）、　（２５ｂ）　：　カー　ツル。 代理人　弁理士　　則　近　憲　借 問　　　　　竹　花　喜久男 ど 第３図 ＠　４　図 （Ａ）　　　　　　　　　　　　ＣＢ）第　７　図 Ａ素のイｎ−ｚ 第６図 面素ｆ）４立置 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 下記構成を具備することを特徴とする寸法測定装置。 （イ）寸法測定されるパターンが形成された測定試料に
   電子線を走査し上記パターンを示す画像信号を出力する
   とともに、表示部を有しこの表示部に上記パターンの画
   像を表示させる走査型電子顕微鏡本体部。 （ロ）上記画像信号をディジタル化された画像データと
   して記憶する画像信号記憶部と、上記画像データを微分
   処理しこの微分結果に基づいて上記画像データを複数の
   領域に区分し且つ各領域ごとに重み付けを異ならせて各
   別に平滑処理を行いこの平滑化された上記画像データに
   基づきこれら縁部間の距離を算出する演算制御部とを有
   する寸法測定部。