JPH088082B2 - 微小寸法測定方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は走査電子顕微鏡（SEM）を利用した微小寸法
測定方法および装置に係り、特に、レジストのホールパ
ターンの寸法を正確に測定することが可能な微小寸法測
定方法および装置に関するものである。

（従来の技術） 近年、IC、LSI等の高集積化に伴って、ウエハの加工
工程および検査工程におけるμｍオーダまたはサブμｍ
オーダのレジスト現像済みパターン、エッチングパター
ン、あるいはコンタクトホールなどのホールパターンの
形状および寸法の測定に、走査電子顕微鏡を利用した微
小寸法測定装置が利用され始めている。

このうち、ホールパターンの径は、ICに形成される容
量や配線に流せる電流量を左右するために、その径、特
に最大値や楕円率を正確に管理することが非常に重要と
なっている。

従来技術におけるホールパターン径の最大値の測定方
法には、以下のようなものがあった。

（１）SEMによってホールパターンを写真撮影した後、
撮影されたホールパターンの径を物差し等を用いて測定
し、その測定値の中から最大値を求める方法。

（２）特開昭63-21845号公報に記載されるように、ホー
ルパターンをＸ方向およびＹ方向にライン走査して中心
点を求め、この中心点を基準としてＸ方向およびＹ方向
に所定の範囲内を順次位置をずらしながらライン走査を
行って各ライン上でのエッジ間距離を算出し、Ｘ方向お
よびＹ方向のエッジ間距離の中から最大値を求める方
法。

なお、エッジ検出法とは、試料上で電子線を走査し、
二次電子、反射電子等の試料から発生する信号の量の変
化によってエッジを検出する方法である。すなわち、二
次電子等は走査する試料に凹凸があると、その量が変化
することを利用するものである。

（発明が解決しようとする課題） 上記した従来技術では、以下のような問題点があっ
た。

（１）写真撮影されたホールパターンを物差し等を用い
て測定する方法では、径測定に際しては必ず写真撮影を
行わなければならないために手間がかかってしまう。ま
た、最大径を示す位置がオペレータの目視による判断に
よって選択されるために、測定された位置が必ずしも実
際の最大径の位置とは限らず、実際の最大径が得られる
とは限らないという問題があった。

さらに、この測定方法では自動的に最大径を求めるこ
とができないために、オペレータの手を煩わしてしまう
という問題もあった。

（２）Ｘ方向およびＹ方向のエッジ間距離の中から最大
径を求める方法では、ライン走査の方向、すなわちＸ方
向またはＹ方向と平行する方向に最大径に相当するエッ
ジ間距離があれば良いが、そうでない場合には測定され
た最大径が必ずしも実際の最大径ではないという問題が
あった。

（課題を解決するための手段） 前記の問題点を解決するために、本発明では以下のよ
うな手段を講じた。

（１）ラスタ走査される各走査線上でのエッジ間距離を
算出する微小寸法測定方法において、試料上でのラスタ
走査方向を回転さながら、ラスタ走査方向の各回転角度
での各走査線上でのエッジ間距離を検出し、必要に応じ
て全てのエッジ間距離の中から、最大エッジ間距離およ
び最小エッジ間距離の少なくとも一方を選択するように
した。

（２）電子線をラスタ走査する手段と、試料上でのラス
タ走査方向を回転させる手段と、ラスタ走査によって試
料から発生する信号を検出する手段と、前記検出信号に
基づいて、ラスタ走査方向の各回転角度での各走査線上
でのエッジ間距離を算出する手段とを具備し、さらに必
要に応じて、全てのエッジ間距離の中から最大値および
最小値の少なくとも一方を選択し、これを表示する手段
を具備した。

（作用） 上記した構成によれば、ホールパターン径の最大値ま
たは最小値を示す部分が確定できないような場合であっ
ても、その測定結果から該ホールパターンの最大径また
は最小径が自動的に測定できるようになる。

（実施例） 以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例である微小寸法測定機能を
有する走査電子顕微鏡のブロック図である。本実施例で
は、特にホールパターンの最大径を検出する場合につい
て説明するが、最小径を検出する場合も同様である。

電子銃１から放出された電子線２は、偏向回路８、９
に制御されるＸ方向偏向コイル５、Ｙ方向偏向コイル６
によって偏向され、試料４上でラスタ走査される。前記
偏向回路８、９による電子線の走査方向の回転角度、す
なわちラスタ走査方向の回転角度は、ラスタ走査方向回
転制御回路12によって制御される。

ラスタ走査方向回転制御回路12によって指定されるラ
スタ走査方向の回転角度を示す信号は後述する最大値選
択回路13にも出力される。なお、該ラスタ走査方向回転
制御回路12による制御方法に関しては、後に詳細に説明
する。

電子線１が照射された試料４からは二次電子３が発生
し、該二次電子３は二次電子検出器７によって検出さ
れ、検出信号が長さ測定回路10および像表示部11に出力
される。長さ測定回路10での測定結果は最大値選択回路
13に出力される。

このような構成の微小寸法測定機能を有する走査電子
顕微鏡におけるホールパターンの最大径の測定方法を、
第２図および第３図を用いて説明する。

第２図は本発明による微小寸法測定方法を説明するた
めのフローチャート、第３図はその測定方法の基本概念
を説明するための図である。

微小寸法測定を行う場合には、ステップS1においてオ
ペレータは測定対象となるホールパターンを通常の走査
電子顕微鏡による観察時と同様にして像表示部11上に表
示する。ここでオペレータによって微小寸法測定が指示
されると、ステップS2では電子線のラスタ走査方向の回
転角度θが０°に設定される。

なお、ここで言うラスタ走査方向とは、第３図（ａ）
において矢印Ｂとして表したようにラスタ走査の副走査
方向であり、回転角度θとは、後に第３図（ｂ）に関し
て説明するように、微小寸法測定が指示されない通常の
像観察時におけるラスタ走査の副走査方向に対する微小
寸法測定角度時のラスタ走査の副走査方向のことを言
う。

ステップS3では試料上で電子線１がラスタ走査され、
第３図（ａ）に示したように各走査線でのエッジ間距離
A_0-1、A_0-2、…、A_0-nが長さ測定回路10において順次測
定され、その測定値が最大値選択回路13に出力される。

なお、該エッジ間距離はラスタ走査の全ての走査線に
対して行う必要は無く、その間隔は測定対象物に応じて
オペレータが自由に設定することができる。

最大値選択回路13では入力されたエッジ間距離A_0-1〜
A_0-nを記憶すると共に、必要に応じて該エッジ間距離を
表示する。このとき、最大値選択回路13にはラスタ走査
方向回転制御回路12からラスタ走査方向の回転角度を示
す信号も同時に入力されるので、該エッジ間距離と共に
その回転角度を記憶、表示することも可能である。

このようにして、ラスタ走査方向の回転角度０°にお
けるエッジ間距離測定が終了すると、ステップS4では該
測定値A_0-1〜A_0-nの最大値A_0maxが最大値選択回路13に
おいて選択される。

ラスタ走査方向の回転角度０°におけるエッジ間最大
距離の選択が終了すると、ステップS5ではラスタ回転角
度が90°以上となったか否かがラスタ走査方向回転制御
回路12で判定される。

90°未満であると、ステップS6において予定の角度、
例えば５°だけラスタ走査方向の回転角度が変更される
ように前記ラスタ走査方向回転制御回路12によって偏向
回路８、９が制御され、その後、当該処理はステップS3
へ移行する。

第３図（ｂ）はラスタ走査方向が５°だけ回転した後
にステップS3で実行されるエッジ間距離A_5-1、A_5-2…、
A_5-nの長さ測定方法を示した図である。なお、実際のエ
ッジ間距離測定においては、ラスタ走査方向が回転する
ために表示部11上に表示される観察像が５°だけ回転す
るが、ここでは説明を簡略化するために、走査線の方向
が５°だけ回転するように示している。

以後、前記と同様に角度５°での最大値A_5maxが求め
られると、さらに、前記した処理を繰り返して、角度10
°での最大値A_10max、…角度85°での最大値A_85max、角
度90°での最大値A_90maxの計19個の最大値が算出され
る。

第３図（ｃ）はラスタ走査方向が90°だけ回転した後
にステップS3で実行されるエッジ間距離A_90-1、A
_90-2…、A_90-nが長さ測定方法を示した図である。

その後、ステップS5においてラスタ走査方向が90°以
上回転したと判定されると、ステップS7では、各回転角
度での最大値A_0max〜最大値A_90maxの中での最大値A_max
が最大値選択回路13において選択され、該最大値A_maxお
よびその時のラスタ回転角θが表示される。

なお、上記した説明ではラスタ走査方向の各回転角度
での最大値を求め、さらにその中から最大値A_maxをもと
めているが、該各回転角度での最大値を求めずに、全て
のエッジ間距離の測定値から直接最大値A_maxを求めるよ
うにしても良い。

本実施例によれば、ホールパターン径の最大値を示す
部分が確定できないような場合であっても、その測定結
果から最大径が自動的に得られる。さらに、本実施例に
よれば最大径と共に該最大径を示したときの回転角度が
得られるので、以下のような効果が達成される。

通常、１枚のウエハからは同一のIC、LSIが多数得ら
れるが、この場合のウエハへの配線パターン等の焼付け
は、多数の同一配線パターンが印刷されたマスクを用い
て１度に焼付ける方法と、IC1個分のパターンが印刷さ
れたマスクを用いて、１枚のウエハに複数回にわたって
焼付ける方法とがある。

いずれの方法でもマスクの大きさは実際の配線パター
ンよりも大きいために、ウエハ上に露光する場合にはマ
スクを透過した光をレンズで縮小する。そして、マスク
を変えて多重露光することによって多層配線構造のICが
完成する。

このような場合に、多重露光するそれぞれのマスクの
設置位置がずれていたり、縮小するレンズに非点収差が
有ると、各ICの同一箇所のホールパターンが一様な楕円
形状を呈すので、その楕円の最大径を示す位置が同一と
なる。

したがって、本発明のようにホールパターンの最大径
と共に該最大値を示したときの走査線の回転角度が得ら
れれば、そのときの角度を観察することによってマスク
のずれや非点収差の有無が容易に判断でき、さらには該
回転角度からマスクのずれ方向や非点収差の状態を認識
することもできるので、不具合の発見およびその対処方
法が容易に理解できる。

なお、エッジ検出のために利用する信号は二次電子に
限らず、反射電子、オージエ電子、Ｘ線等であっても良
く、その場合には各信号に応じた検出器を設置するよう
にする。

また、上記した実施例においては、試料上での電子線
のラスタ走査方向の回転角度の制御を、電子線を偏向す
ることによって行うものとして説明したが、本発明はこ
れのみに限定されるものではなく、試料の載置台を回転
させることによって試料を回転させてラスタ走査し、実
質上、電子線のラスタ走査方向が試料上で回転するよう
にしたり、あるいは試料の回転と電子線の偏向によるラ
スタ走査方向の回転とを同時に行うようにしても良い。

すなわち、本発明は試料とラスタ走査方向との相対的
な回転角度を変化させながらラスタ走査し、この結果得
られるエッジ間距離の最大値または最小値を求めるよう
にしたものである。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば次の
ような効果が達成される。

（１）径測定に際して写真撮影を行わずに済むために手
間がかからなくなると共に、最大値または最小値を示す
位置を判断することなく、ほぼ確実に実際の最大径また
は最小径が得られるので、正確な径測定が可能になる。

（２）最大径または最小径と共に、、そのときの回転角
度が得られるので、測定対象物であるIC、LSI製造時の
マスクのずれや非点収差の有無が容易に判断でき、さら
には該回転角度からマスクのずれ方向や非点収差の状態
を認識することもできるので、不具合の発見およびその
対処方法が容易に理解できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である微小寸法測定機能を有
する走査電子顕微鏡のブロック図、第２図は本発明の微
小寸法測定方法を説明するためのフローチャート、第３
図はその測定方法の基本概念を説明するための図であ
る。 １……電子銃、２……電子線、３……２次電子、４……
試料、５……Ｘ方向偏向コイル、６……Ｙ方向偏向コイ
ル、７……二次電子検出器、８、９……偏向回路、10…
…長さ測定回路、11……像表示部、12……ラスタ走査方
向回転制御回路、13……最大値選択回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料上で電子線をラスタ走査し、各走査線
   上でのエッジ間距離を算出する微小寸法測定方法におい
   て、 試料上でのラスタ走査方向を相対的に回転させ、各回転
   角度において予定の間隔で複数回の走査を行って各走査
   線上でのエッジ間距離を検出し、 前記検出された全てのエッジ間距離の中から最大エッジ
   間距離および最小エッジ間距離の少なくとも一方を選択
   することを特徴とする微小寸法測定方法。
2. 【請求項２】試料上でのラスタ走査方向の相対的な回転
   は、試料の回転およびラスタ走査方向の偏向による回転
   の少なくとも一方によって行われることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の微小寸法測定方法。
3. 【請求項３】前記ラスタ走査方向の回転角度は、90°の
   範囲内で変化されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の微小寸法測定方法。
4. 【請求項４】前記予定の間隔で複数回行われる走査は、
   走査方向に対して垂直な方向に等間隔で行われることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
   かに記載の微小寸法測定方法。
5. 【請求項５】試料を載置する載置台と、 電子線をラスタ走査する手段と、 試料上でのラスタ走査方向を相対的に回転させる手段
   と、 ラスタ走査によって試料から発生する信号を検出する手
   段と、 前記検出信号に基づいて、各回転角度において予定の間
   隔で複数回の走査を行って各走査線上でのエッジ間距離
   を算出する手段と、 前記算出された全てのエッジ間距離の中から最大値およ
   び最小値の少なくとも一方を選択する手段と、 前記選択された最大値および最小値の少なくとも一方を
   表示する手段とを具備したことを特徴とする微小寸法測
   定装置。
6. 【請求項６】前記試料上でのラスタ走査方向を相対的に
   回転させる手段は、載置台を回転する手段および電子線
   を偏向してラスタ走査方向を回転する偏向回転手段の少
   なくとも一方であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載の微小寸法測定装置。
7. 【請求項７】前記ラスタ走査方向の角度は、90°の範囲
   内で変化されることを特徴とする特許請求の範囲第５項
   または第６項記載の微小寸法測定装置。
8. 【請求項８】前記エッジ間距離を算出・表示する手段な
   らびに最大値および最小値の少なくとも一方を検出・表
   示する手段は、エッジ間距離ならびに最大値および最小
   値の少なくとも一方と共に、該エッジ間距離ならびに最
   大値および最小値の少なくとも一方が検出されたときの
   ラスタ走査方向の回転角度を表示することを特徴とする
   特許請求の範囲第５項ないし第７項のいずれかに記載の
   微小寸法測定装置。
9. 【請求項９】前記予定の間隔で複数回行われる走査は、
   走査方向に対して垂直な方向に等間隔で行われることを
   特徴とする特許請求の範囲第５項ないし第８項のいずれ
   かに記載の微小寸法測定装置。