JP3602646B2

JP3602646B2 - 試料の寸法測定装置

Info

Publication number: JP3602646B2
Application number: JP12559296A
Authority: JP
Inventors: 文夫水野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1996-05-21
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: KR100508993B1; DE19721313A1; KR970075841A; US6157451A; JPH09304023A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は試料の寸法測定装置、特に半導体デバイス、磁気記憶デバイス、撮像デバイス、表示デバイスなどの製造において、デバイスパタ−ンの寸法測定を行うのに適した試料の寸法測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明で対象としている試料の寸法測定装置の主なものとしては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、特に測長ＳＥＭ）、レ−ザ顕微鏡、ｉ線顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡およびレ−ザフォ−カス顕微鏡などがある。代表的な応用分野として、半導体製造に例を採って説明する。半導体製造においては、パタ−ンの寸法測定に、測長ＳＥＭが広く用いられている。以下、測長ＳＥＭの例を説明する。
【０００３】
図１は測長ＳＥＭの基本的な原理と構成を示すものである。電子銃１から放出された電子ビ−ム２は収束レンズ３および対物レンズ４によって細く絞られ、試料であるウェハ５の面上に焦点を結ぶ。同時に、電子ビ−ム２は偏向器６によって軌道を曲げられ、ウェハ５の面上を二次元走査する。一方、電子ビ−ム２で照射されたウェハ部分からは二次電子７が放出される。これらの二次電子は二次電子検出器８によって検出されて電気信号に変換され、該電気信号はＡ／Ｄ変換器９によってＡ／Ｄ変換されて画像メモリ１０に記憶され、この記憶された信号は画像処理装置１１による処理を受けてディスプレイ１２を輝度変調するのに用いられる。ディスプレイ１２は電子ビ−ム２のウェハ面上走査と同期して走査されているので、ディスプレイ上には試料像（ＳＥＭ像）が形成される。
【０００４】
パタ−ン形状は測長ＳＥＭを用いて、例えば、次のような手順で検査される。
【０００５】
ウェハカセット１３から取り出された被測定ウェハの一枚５はウェハのオリエンテ−ションフラットやノッチなどを基準としてプリアライメントされる。プリアライメント後、ウェハ５は真空に保持された試料室１４内のＸＹステ−ジ１５上に搬送され、搭載される。ＸＹステ−ジ１５上に装填されたウェハ５は試料室１４の上部に装着された光学顕微鏡１６を用いてウェハアライメントされる。具体的には、光学顕微鏡１６による像信号はＡ／Ｄ変換器１７によってＡ／Ｄ変換されて画像メモリ１０に記憶され、この記憶された信号は画像処理装置１１を介してディスプレイ１２に導かれ、これにより光学顕微鏡像はディスプレイ１２に表示される。ウェハアライメントには、ウェハ５上に形成されたアライメントパタ−ンが使われる。数百倍程度に拡大されたアライメントパタ−ンの光学顕微鏡像視野は予め登録されているアライメントパタ−ン参照用画像の視野と比較され、両画像の視野が丁度重なるようにステ−ジ位置座標を補正する。アライメント後、ウェハを所望の測定点にステ−ジ移動する。測定点に移動した後、走査電子ビ−ムを照射し、測定部分のＳＥＭ像を形成する。このＳＥＭ像を処理し、測定部分のラインプロファイルから指定部分のパタ−ン寸法を求める。
【０００６】
なお、画像信号の記憶／読み出し、画像信号処理等の制御はコンピュ−タおよび制御装置１８によって行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
パタ−ンが微細かつ高密度になるにしたがって、直線状のラインパタ−ンや真円のホ−ルパタ−ンだけではなく、不規則な曲線形状のパタ−ン寸法を測定するニ−ズが増加してきている。このことは測定指定個所の正確な位置決めを困難にすると共に、斜め形状を斜め方向で測定したいという要求をもたらす。
【０００８】
本発明の目的は測定部分の形状や測定方向が任意であってもその部分の寸法測定を正確に行うのに適した試料の寸法測定装置を提供することにある。
【０００９】
本発明は、試料の測定部分の二次元の画像を形成し、該画像をもとにして前記試料の測定部分の寸法を測定する試料の寸法測定装置において、前記測定部分に対応する測定用の二次元の参照パターン画像を予め登録しておき、該登録した測定用の二次元の参照パターン画像を読み出して、この二次元の参照パターン画像と前記測定部分の二次元のパターン画像との形状を照合させ、前記測定部分の二次元のパターン画像の測定指定個所の輪郭が前記二次元の参照パターン画像と接するまで移動させたときの移動距離に基づいて前記測定部分の寸法を求めることを特徴とする試料の寸法測定装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明にもとづく試料の寸法測定装置のハ−ドウエアに関しては、これは図１のそれと同じであるので、ここで繰り返し説明することは避ける。
【００１１】
本発明による操作手順の例を図２に示す。ウェハカセット１０から取り出された被測定ウェハの一枚５はウェハに形成されたオリエンテ−ションフラットやノッチなどを用いてプリアライメントされる（Ｓ１）。プリアライメント後、ウェハ上に形成されたウェハ番号が図示されていないウェハ番号読み取り器によって読み取られる（Ｓ２）。ウェハ番号は各ウェハに固有のものである。読み取られたウェハ番号をキ−にして、予めコンピュ−タおよび制御装置１８に登録されていた、このウェハに対応する作業指示情報（レシピ）が読み出される（Ｓ２）。レシピはこのウェハを測定するための手順や条件を定めたものである。以降の操作は、このレシピにしたがって、自動的あるいは半自動的に行われる。
【００１２】
レシピが読み出された後、ウェハ５は真空に保持された試料室１１内のＸＹステ−ジ１５上に搬送され、搭載される（Ｓ３）。ＸＹステ−ジ１５上に装填されたウェハ５は試料室１４の上面に装着された光学顕微鏡１３を用いてウェハアライメントされる（Ｓ４）。ウェハアライメントはＸＹステ−ジの位置座標系とウェハ上のパタ−ン位置座標系との補正を行うものであり、ウェハ５上に形成されたアライメントパタ−ンを用いて行われる。アライメントパタ−ンの、数百倍程度に拡大された光学顕微鏡像は、レシピに付属して予めコンピュ−タおよび制御装置１８に登録されているウェハアライメント用参照画像と比較され、光学顕微鏡像の視野がウェハアライメント用参照画像の視野と丁度重なるようにステ−ジ位置座標が補正される。
【００１３】
ウェハアライメント後、このウェハに対応したウェハマップが読み出され、ディスプレイ上に表示される（Ｓ５）。ウェハマップには、このウェハの所要測定点とプロセス処理状況、プロセスＱＣ（ＰＱＣ）結果などの来歴が示されている。操作者はウェハマップ上に示された測定点の中から測定したい点を指定する（Ｓ６）。この指定された測定点の座標はコンピュ−タおよび制御装置１８に登録される。登録された測定点の座標は読み出され、ウエハ５は、その測定部分が電子ビ−ム直下に来るようにステ−ジ移動により移動される（Ｓ７）。移動後、走査電子ビ−ムが測定部分上に照射され、比較的低倍率でのＳＥＭ像が形成される。この低倍率ＳＥＭ像は、アライメント操作と同様の手法を用いて、測定パタ−ンの位置決めに使われる。低倍率ＳＥＭ像は、画像メモリ１０に予め登録されていた、測定部分に対応する測定パタ−ン位置決め用参照ＳＥＭ画像と照合され、ＳＥＭ像視野が測定パタ−ン位置決め用参照ＳＥＭ画像の視野と一致するように、電子ビ−ムの走査領域が微調整される（Ｓ８）。位置決めされたウェハは測定部分に位置する被測定パタ−ンがほぼディスプレイ画面中央すなわち電子ビ−ム直下に位置する。
【００１４】
この状態で、測定パターンの高倍率ＳＥＭ像が形成される（Ｓ９）。高倍率ＳＥＭ像形成後，レシピに付属してコンピュータおよび制御装置１８に登録されている、この測定パターンに対応した測定用参照ＳＥＭ画像が読み出され（Ｓ９）、測定パターンＳＥＭ像と測定用参照ＳＥＭ画像との形状照合、形状差検出が行われる（Ｓ１０）。形状は後述のような方法で規定されるものである。そして、検出した形状差から測定パターン内指定個所のパターン寸法が計測される（Ｓ１１）。寸法測定結果は、予めコンピュータおよび制御装置１８に登録されている判定基準と突き合わされ、異常の有無が判定される（Ｓ１２）。判定後、ウエハマップを再度ディスプレイ上に表示する。そして、ウエハマップの指定測定点上に、異常有無の判定結果を表示し、測定結果のデータベースヘの登録と、必要に応じて測定パターンＳＥＭ像の画像ファイルヘの登録を行う（Ｓ１３）。
【００１５】
このようにして一測定個所の作業が終わる。さらに測定したい個所が残っていれば、ウェハマップ上で新しい測定点を指定し、図２中、ステップ（Ｓ６）以降の操作を繰返して行う。
【００１６】
このようにして一枚のウェハの測定作業が終わる。ウェハカセットの中に複数の被測定ウェハが残っている場合には、次のウェハをウェハカセットから取り出した後、図２の操作手順にしたがって、繰返し同様の作業を行う。
【００１７】
ＳＥＭ像は画素毎の輝度の変化で表される。輝度をデジタル化し、階調で表すと、パタ−ンを等高線で表した地図上の山に擬えることができる。これに着目して、パタ−ン形状の決め方は、例えば、次のようにして行われる。
【００１８】
（１）ピ−クあるいはボトムの階調レベルが作る等高線で形状を規定する。
【００１９】
（２）特定の階調レベルを指定し、このレベルで決められる等高線で形状を規定する。
【００２０】
（３）階調変化を最大傾斜線あるいは近似直線などで表し、この直線がグランドレベルとなす交線で形状を規定する。
【００２１】
（４）測定パタ−ンの階調変化のプロファイルを測定用参照ＳＥＭ画像のそれと突き合わせ、両プロファイルの形が最も良く一致するところを形状の比較線とする。輝度のデジタル化に際しては、輝度およびコントラストなどの画像パラメ−タが、測定部分のＳＥＭ像および測定用参照画像それぞれについて独立して変更できるようにされている。
【００２２】
一枚のＳＥＭ像に複数の測定用参照画像を対応させることもできる。２枚の測定用参照画像を用いることにより、例えば図３に示すように、上限、下限の限度形状の指定が可能となる。
【００２３】
形状差の検出すなわちパタ−ン寸法の測定は、例えば、次のようにして行われる。ＳＥＭ像を指定個所の示す方向に移動し、形状が測定用参照ＳＥＭ画像のそれと接するまでの移動距離から、ＳＥＭ像の指定個所の寸法あるいは測定用参照ＳＥＭ画像との寸法差を計測する。また、図３に示すように、一枚のＳＥＭ像に複数個所の測定を指示することもできる。
【００２４】
ここでは、操作者がウェハマップに表示された測定点の中から希望個所を指定し、マニュアルで測定する方法を示したが、レシピで指定された測定点に機械的に移動し、測定、判定作業を自動で繰り返すことも可能である。
【００２５】
異常の有無判定基準をコンピュ−タおよび制御装置１８に予め登録しておき、これにもとづいて、形状寸法測定結果の異常の有無を自動的に判定し、操作者などにアラ−ムを出すことも可能である。
【００２６】
参照用画像は、測定作業の中で新規に登録したり、登録し直すこともできる。ここでは、参照用画像として、測定作業前にコンピュ−タおよび制御装置１８に予め登録されていた像を用いたが、例えば、予め登録されていた測定用参照ＳＥＭ画像の輝度やコントラストが、測定パタ−ンＳＥＭ像のそれ等とはあまりにもかけ離れているような場合には、近隣のチップあるいは近隣のセルの同一パタ−ン部の像を測定用参照ＳＥＭ画像として、測定作業中に繰返し登録し直していくことも可能である。
【００２７】
電子ビ−ムやイオンビ−ムなどの荷電粒子線を用いた場合，チャ−ジアップが飽和するまでに時間を要する試料については、荷電粒子線を所定の時間照射し、チャ−ジアップを飽和させた後、計測に用いるＳＥＭ像を取り込むようにすると良い。
【００２８】
ここでは、低倍率ＳＥＭ像でアライメントした後、高倍率ＳＥＭ像で測定パタ−ンを位置決めする方法を示したが、代りに、アライメントなしで直接指定測定点を高倍率ＳＥＭ像で探しにいき、測定部分を発見できないときには、周辺をサ−チできる機能を持たせるようにしても良い。
【００２９】
ここでは、ＸＹステ−ジを用いたが、ＸＹステ−ジの代りに、ＸＹＴ（Ｔは傾斜を意味する）ステ−ジを用いれば、，試料を傾斜した状態での形状寸法測定ができる。
【００３０】
ここでは、像形成に電子ビ−ムを用いたが、代りに、イオンビ−ムや光ビ−ム、あるいはメカニカルプロ−ブなどを用いても良い。
【００３１】
ここでは、一プロ−ブ一画素の場合を示したが、マルチプロ−ブやマルチ画素で画像を形成する方式であっても構わない。
【００３２】
ここでは、走査画像を用いたが、代りに、結像光学系によって形成された投影画像を対象とすることも可能である。
【００３３】
ここでは、半導体ウェハを観察する場合について示したが、代りに、撮像デバイスや表示デバイス用のウェハであってもよいし、ウェハ以外の試料形状であっても構わない。
【００３４】
以上の説明から、参照用画像のパタ−ン形状と比較することによって、測定指定個所の正確な位置決めが可能となることがわかる。また、パタ−ン形状差から寸法を求めるため、任意形状、任意方向のパタ−ン寸法を求めることが容易となることもわかる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、測定部分の形状や測定方向が任意であってもその部分の寸法測定を正確に行うのに適した試料の寸法測定装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明および従来例を説明するための測長ＳＥＭの概念図。
【図２】本発明にもとづく試料の寸法測定装置における一例としての寸法測定フロ−図。
【図３】一枚のＳＥＭ像に２枚の測定用参照画像を対応させ２個所の測定を指示する例を説明するための図。
【符号の説明】
１：電子銃、２：電子ビ−ム、３：収束レンズ、４：対物レンズ、５：ウェハ（試料）、６：偏向コイル、７：二次電子、８：二次電子検出器、９、１７：Ａ／Ｄ変換器、１０：画像メモリ、１１：画像処理装置、１２：ディスプレイ、１３：ウェハカセット、１４：試料室、１５：ＸＹステ−ジ、１６：光学顕微鏡、１７：Ａ／Ｄ変換器、１８：コンピュ−タおよび制御装置。

Claims

試料の測定部分の二次元の画像を形成し、該画像をもとにして前記試料の測定部分の寸法を測定する試料の寸法測定装置において、
前記測定部分に対応する測定用の二次元の参照パターン画像を予め登録しておき、該登録した測定用の二次元の参照パターン画像を読み出して、この二次元の参照パターン画像と前記測定部分の二次元のパターン画像との形状を照合させ、前記測定部分の二次元のパターン画像の測定指定個所の輪郭が前記二次元の参照パターン画像と接するまで移動させたときの移動距離に基づいて前記測定部分の寸法を求めることを特徴とする試料の寸法測定装置。
前記測定部分の二次元のパターン画像及び前記測定用の二次元の参照パターン画像の画像パラメータをそれぞれ独立して変更し得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載された試料の寸法測定装置。
前記測定部分の二次元のパターン画像に対して照合する前記測定用の二次元の参照パターン画像は複数個あることを特徴とする請求項１又は２に記載された試料の寸法測定装置。
前記測定用の二次元の参照パターン画像を前記寸法測定時において再登録し得るようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載された試料の寸法測定装置。
測定作業を遂行のための作業指示情報を予め登録しておき、前記試料上に形成された試料番号を読み取り、該読み取られた試料番号をキーとして前記作業指示情報を読み出し、該読み出された作業指示情報にもとづいて前記測定作業を遂行するようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された試料の寸法測定装置。
前記寸法測定に先立って、前記試料をプリアライメントし、さらに、前記試料のアライメント用参照パターン画像を予め登録しておき、前記試料の、前記アライメント用参照パターン画像に対応するアライメントパターン画像を形成し、該アライメントパターン画像を前記アライメント参照パターン画像と照合し、一致させることによって前記試料のアライメントを行うことを特徴とする請求項５に記載された試料の寸法測定装置。
前記試料の測定部分を指定してその指定された測定部分を測定位置に移動し、その測定部分に対応する測定位置決め用の二次元の参照パターン画像を予め登録しておき、前記測定部分の、前記形成されたパターン画像よりも低倍率の二次元のパターン画像を形成し、該低倍率の二次元のパターン画像と前記測定位置決め用の二次元の参照パターン画像を照合することによって前記測定部分を視野中心に位置決めすることを特徴とする請求項６に記載された試料の寸法測定装置。
異常の有無判定基準を予め登録しておき、該基準にもとづいて、前記寸法測定結果の異常の有無を判定し、異常の場合アラームを自動的に発生することを特徴とする請求項７に記載された試料の寸法測定装置。
前記試料の測定部分の二次元のパターン画像は前記試料を荷電粒子線で予め定められた時間照射した後のＳＥＭ像であることを特徴とする請求項８に記載された試料の寸法測定装置。
試料に荷電粒子線、或いは光を照射する手段と、
前記試料に前記荷電粒子線、或いは光を照射することによって得られる荷電粒子、或いは光を検出する検出手段と、当該検出手段の出力に基づいて前記試料の特定領域の画像を形成する画像形成手段を備えた寸法測定装置において、
測長指定個所を有する参照画像を記憶する画像メモリと、
当該画像メモリに記憶された参照画像のパターンと、前記画像形成手段によって形成された画像のパターンとの間で形状照合を行う手段と、
前記画像形成手段によって形成された前記画像を、前記参照画像のパターンと前記画像形成手段によって形成された画像のパターンの測定指定個所の輪郭が接するまで移動させる移動手段と、
当該移動手段によって移動した移動距離に基づいて前記画像形成手段によって形成されたパターンの寸法測定を行う手段を備えたことを特徴とする寸法測定装置。