JPH01311551A - パターン形状測定装置 - 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ＬＳＩ微細パターンの三次元形状（パターンの
テーパ角、膜厚（または深さ）、断面プロファイル、お
よびパターン寸法等）をｍ＋定するパターン形状測定装
置に関する。

（従来の技術） 走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭとも言う）を用いて微細
パターンの三次元形状を測定する技術として、断面観察
法が知られている。この方法は試料を切断し、その断面
形状を観察するもので従来から広く使われてきた手法で
ある。

また、異なるステージ傾斜角でのＳＥＭの画像から、両
画像の対応する位置のマツチングをマニュアルで行った
後、三次元形状を算出するシステムも知られている（Ｙ
、Ｋａｔｏ　ｅｔ　ａｌ、：”５ｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉ
ｃＯｂｅｒｖａ’ｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｈｒｅｅ　Ｄｉ
ｓ＋ｃｎｓｉｏｎａｌ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｏｒ
　Ｓｃａｎｎｌｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓ
ｃｏｐｙ＋ＩＩＴＲＩ／ＳＥＸ／１９７７　ｐｐ、４１
−４８および浜他：　「超高圧電子顕微鏡立体写真から
の三次元画像情報の定量化」Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃ
ｒｏｓｃｏｐｙ、Ｖｏ！、２０．Ｎｏ、２．１９８５．
ｐｐ、１３４−１４２参照）。

そして、ビーム照射位置を中心に対称に配置された検出
器からの信号を処理し漬方することにより算出するシス
テムも報告されている（Ｔ、Ｓｕｇａｎｕｍａ：”Ｍｅ
ａｓｕｒｅ■ｅｎｔ　ｏｌ’　５ｕｒｔａｅｅ　Ｔｏｐ
ｏｇｒａｐｈｙ　ＵｓｉｎｇＳＥＸ　ｗｉｔｈ　Ｔｗｏ
　５ｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｔｅｃ
ｔｏｒｓ”Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐ
ｙ、、Ｖｏｌ、３４．Ｎｏ、４．ｐｐ、３２８−３３７
．１９８５参照）。

（発明が解決しようとする課題） 試料を切断する断面観察法は広く用いられてはいるが、
試料を切断するため、その試料は使えなくなる。また測
定パターンも、たまたま破断面に存在しているパターン
だけに限定される。そして例えば２μｍ以下の微細な開
口径のパターンでは破断面が基板表面に垂直に形成され
ていないと、断面形状も実際の形状を反映しにくくなる
欠点がある。

異なるステージ傾斜角のＳＥＭ、の画像から対応する点
を求め、その立体形状を算出する方法も、例えばリモー
トセンシングの分野で広く用いられてきた。この方法で
は、対応する点を求める、謂ゆるパターンマツチングを
マニュアルで行う場合、多大な時間を必要としてきた。

一方マッチングを自動で行う場合、そのマツチング誤差
が、微細パターンの形状によっては無視できず測定誤差
に大きく効いてくる場合もある。

ビーム照射位置を中心に対称に配置された検出器からの
信号を処理する場合、両検出器の信号を′予めバランス
させておく必要がある。更に高Ｓ／Ｎ比が要求されるた
め、試料を予めＡｕ蒸着をしておく必要もある。また測
定パターンが孤立している場合には、良好な立体形状が
得られるが、隣接パターンが２μｍ以下となると、隣接
パターンの影響が現われ実際の形状とは異なってくると
いう問題があった。

本発明は上記問題点を考慮してなされたものであって、
被測定パターンを非破壊、非接触の状態でパターン形状
を高速かつ正確にｎ１定することのできるパターン形状
測定装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明によるパターン形状測定装置は、鏡筒を任意の傾
斜角に設定することの可能な走査型電子顕微鏡と、ビー
ム走査を行なって得られる走査型電子顕微鏡の出力信号
波形を画像処理する画像処理手段と、対称なテーパ部を
有する被測定パターンのテーパ部を走査型電子顕微鏡の
ステージ上に鏡筒傾斜面に平行に載置した後ビーム走査
を行って得られる走査型電子顕微鏡の出力信号波形に対
応する画像処理手段の出力に基づいて被測定パターンの
両側底部を検出してパターン寸法を算出するパターン寸
法算出手段と、被測定パターンを走査型電子顕微鏡のス
テージ上で９０″回転してテーパ部が鏡筒傾斜面に直角
となるように配置した後ビーム走査を行って得られる走
査型電子顕微鏡の出力信号波形に対応する画像処理手段
の出力に基づいて被測定パターンの断面プロファイルを
算出する断面プロファイル算出手段とを備えていること
を特徴とする。

（作　用） このように構成された本発明によるパターン形状測定装
置によれば、走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭという）の
鏡筒をある所定の角度に傾斜させておく。そして傾斜さ
せたときの鏡筒の軸と、傾斜させないときの鏡筒の軸と
を含む平面、すなりち鏡筒傾斜面に平行に、対称なテー
パ部を有する被測定パターンのテーパ部をステージ上に
載置する。このとき、ビーム走査を行って得られるＳＥ
Ｍの出力波形信号に対応する画像処理手段の出力に基づ
いてパターン寸法算出手段によって被Ａｐ」定パターン
のパターン寸法が算出される。次に、披＃１定パターン
をステージ上で９０度回転してテ−パ部が鏡筒傾斜面に
垂直となるように配置する。

そして、ビーム走査を行って得られるＳＥＭの出力波形
信号に対応する画像処理手段の出力に基づいて断面プロ
ファイル算出手段によって被測定パターンの断面プロフ
ァイルが算出される。

以上により本発明によれば、被測定パターンを非破壊、
非接触の状態でパターン形状を高速かつ正確に測定する
ことができる。

（実施例） 第１図に本発明によるパターン形状測定装置の一実施例
を示す。この実施例のパターン形状測定装置は、走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）１と、画像処理手段２と、計算機
３と、デイスプレィターミナル４とを備えている。また
、ＳＥＭＩは鏡筒１　ａ　ｓ偏向器１ｂ、検出器ＩＣ１
およびステージ１ｄを有している。

次に構成と作用を第２図から第７図を用いて説明する。

先ずＳＥＭＩの鏡筒１ａを一定の傾斜角θに設定する。

この傾斜角θの設定値は後述する三次元形状の基本パラ
メータを求めるときの精度に大きく効いてくるので０．
１°以上の精度が必要である。次に、ステージ１ｄ上に
試料１０を載置し、被測定パターンのテーパ部１０ａ、
１０ｂか鏡筒傾斜面に平行になるようステージ１ｄの回
転機能により調整する（第２図参照）。この時、第２図
に示すように被測定パターンの両側のテーパ部１０ａ、
１０ｂは均等な幅に観察される。測長倍率に設定した後
、画像処理手段２からＳＥＭＩの偏向制御信号であるＨ
　Ｓ　（ＩｌｏｒｉｚｏｎｔａｌＳｃａｎ）　、Ｖ　Ｓ
　（Ｖｅｒｔｉｅａｌ　５ｃａｎ　）、ＨＢ　（ｌｌｏ
ｒｊｚｏｎｔａｌ　１３１ａｎｋ）　、ＶＢ　（Ｖｅｒ
ｔｉｃａ１１３１ａｎｋ　）　、およびＣ０ＮＴ　（Ｃ
ｏｎｔｒｏｌ　）信号を偏向器１ｂに送り、ビームを偏
向器１ｂによって走査する。すると、この走査されたビ
ームかステージ１ｄ上に載置された試料１０に当り、試
料１０から２次電子が放出される。そしてこの２次電子
が検出器１ｃによって検出される。検出器１ｃの検出出
力（２次電子信号）は画像処理手段２に送られてＡ／Ｄ
変換された後、２５６階調のフレームメモリに格納され
る。ｖＳ信号を一定値または鋸歯状波にすることで線走
査または面走査のモードに代わる。この走査で得られた
ラインプロファイル波形に平滑化等の画像処理を施した
後、パターンの底端部を検出し、底端部間の画素数を求
め、計算機３によってパターン寸法を算出する。この寸
法算出方法としては、従来から広く用いられてきたスレ
ショールド法あるいは直線近似法を使うことによって自
動測長が可能となる。

次に被測定パターンを載置したまま、ステージ１ｄを前
回の設定から９０°だけ回転する。回転方向はどちらで
も構わない。また鏡筒１ａの傾斜角は前回と全く同一に
しておく。このように設定することにより、前回と異な
り、被測定パターン１０のテーパ部１０ａ、１０ｂは双
方が異なる幅に観察される（第３図参照）。どちらの幅
□がより太く見えるかは、パターンの凹凸形状により決
まってくる。測長倍率に設定した後、ＳＥＭＩの偏向制
御信号を画像処理手段２から偏向器１ｂに送り、ビーム
を被７ＴＰ１定パターン１０上に走査する。

すると、被測定パターン１０上から放出される２次電子
が検出器］Ｃによって検出され、検出出力（２次電子信
号）が画像処理手段２に送られる。

前回の場合（被測定パターンのテーパ部が鏡筒傾斜面に
平行の場合）は、ビーム走査方向のラインプロファイル
をとれば測長可能であったが、今回の場合（テーパ部が
鏡筒傾斜面に直角の場合）にはビーム走査方向と直角方
向にラインプロファイルを抽出する必要かあるので面走
査を行う。ビーム走査方向と直角方向に抽出したライン
プロファイルを前回と同様、画像処理を施した後、双方
のテーパ部１０ａ、１０ｂの幅Ｐ１．Ｐ２を求める。

このとき、テーパ角度ψおよび膜厚（深さ）ｈは第４図
に示す関係から Ｐｌ−Ｊｃｏｓ（ψ＋θ）　　　　　−（１）Ｐ２−、
Ｑｃｏｓ（ψ−θ）　　　　・・・（２）ｈ＝ｊｌｌｓ
ｉｎψ　　　　　　　　−１３）となる。ここでｇはテ
ーパ部の実際の幅を表す。

（１）、　　（２）式から ｃｏｓ　（ψ−θ）　　　　Ｐ２ が導かれ、（１）、（３）式から ＭＣ０８（ψ十〇） が導かれる。（３）式を用いて計算機３によってテーパ
角度ψを算出するとともに、算出されたテーパ角度ψを
用いて（４）式によって膜厚（深さ）ｈを求める。

更にテーパ部の断面形状Ａ　（ｘ　ｓ　）の算出は、テ
ーパ角度ψの変化により、入力信号も変化することから
、各テーパ部位置での信号量５（ｘｉ）をもとに以下の
式で近似する。

なお鏡筒傾斜面と被測定パターン１０のテーノく部１０
ａ、１０ｂが平行な場合のラインプロファイルを第５図
に示し、鏡筒傾斜面と被測定ノ（ターン１０のテーパ部
１０ａ、１０ｂが直角な場合のラインプロファイルを第
６図に示す。そして、本実施例のパターン形状測定装置
によって計測されたパターンの形状を第７図に示す。な
お、本発明の測定装置は被測定パターン１０の両側のテ
ーパ部１０ａ、１０ｂは対称であることを前提としてい
る。

以上により本実施例によれば被測定パターンを非破壊、
非接触の状態でパターン形状を高速かつ正確に測定する
ことができる。

なお、実施例に於ては、鏡筒１ａを傾斜させた装置構成
について述べてきたが、これに限定されず、鏡筒１ａは
従来通り、垂直にして、試料ステージ１ｂを傾斜させて
もよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、被測定パターンを非破壊・非接触の状
態でパターン形状を高速かつ正確に測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパターン形状測定装置の一実施例
を示すブロック図、第２図は鏡筒傾斜面と被測定パター
ンのテーパ部が平行な場合の測定パターンの観察例、第
３図は鏡筒傾斜面と被測定パターンのテーパ部が直角な
場合の測定パターンの観察例、第４図は本発明によりパ
ターン形状測定装置の原理を説明する説明図、第５図は
第２図に示す観察方法によって得られたラインプロファ
イル、第６図は第３図に示す観察方法によって得られた
ラインプロファイル、第７図は本発明によるパターン形
状測定装置によって測定されたパターン形状の測定結果
を示すグラフである。 １・・・走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、ｌａ・・・鏡筒
、１ｂ・・・偏向器、ＩＣ・・・検出器、１ｄ・・・ス
テージ、２・・・画像処理手段、３・・・計算機、１０
・・・試料（被測定パターン）。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 艷１図 第２図　　　　　　第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　鏡筒を任意の傾斜角に設定することの可能な走査型電
   子顕微鏡と、ビーム走査を行なって得られる前記走査型
   電子顕微鏡の出力信号波形を画像処理する画像処理手段
   と、対称なテーパ部を有する被測定パターンの前記テー
   パ部を前記走査型電子顕微鏡のステージ上に鏡筒傾斜面
   に平行に載置した後ビーム走査を行って得られる前記走
   査型電子顕微鏡の出力信号波形に対応する前記画像処理
   手段の出力に基づいて前記被測定パターンの両側底部を
   検出してパターン寸法を算出するパターン寸法算出手段
   と、前記被測定パターンを前記走査型電子顕微鏡のステ
   ージ上で９０度回転して前記テーパ部が鏡筒傾斜面に直
   角となるように配置した後ビーム走査を行って得られる
   前記走査型電子顕微鏡の出力信号波形に対応する画像処
   理手段の出力に基づいて前記被測定パターンの断面プロ
   ファイルを算出する断面プロファイル算出手段とを備え
   ていることを特徴とするパターン形状測定装置。