(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子銃から放出された荷電粒子線を試料上で走査することによって、試料から放出される検出信号に基づいて、ホールパターンの半径方向の距離を測長するホールパターン形状評価装置において、
前記ホールパターンの一点を中心として極座標展開を行う手段と、
前記一点を示すカーソルと、前記検出信号に基づいて形成される画像に表示されたホールパターンの中心を合わせるための手段と、
前記検出信号に基づいて前記ホールパターンの一点を中心とした半径方向の座標と角度座標をそれぞれ一次元とすると共に、前記ホールパターンのエッジを含む極座標展開画像を形成する手段と、
当該極座標展開画像の前記半径方向の前記エッジ検出に基づいて、前記ホールパターンの半径方向の距離を測長する手段を備えたことを特徴とするホールパターン形状評価装置。
【請求項２】
荷電粒子銃から放出された荷電粒子線を試料上で走査することによって、試料から放出される検出信号に基づいて、ホールパターンの半径方向の距離を測長するホールパターン形状評価装置において、
前記ホールパターンを表示する画像表示手段と、
当該画像表示手段の試料像表示領域中心へ、前記ホールパターンの中心を移動させるイメージシフト手段と、
前記検出信号に基づいて前記ホールパターンの一点を中心とした半径方向の座標と角度座標をそれぞれ一次元とすると共に、前記ホールパターンのエッジを含む極座標展開画像を形成する手段と、
当該極座標展開画像の前記半径方向の前記エッジ検出に基づいて、前記ホールパターンの半径方向の距離を測長する手段を備えたことを特徴とするホールパターン形状評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体ウェーハ上に形成されたコンタクトホールパターン（以下、ホールパターンと略す。）を、例えば電子顕微鏡で検知し、これをＣＲＴ上に拡大表示して、前記ホールパターンのさまざまな角度の直径値、あるいは半径値を計測するホールパターン形状評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハの製造プロセスにおいて、マスク工程を経て形成されたコンタクトホールパターンが、所定の直径値あるいは、半径値を有するか否かの検査が行われている。この場合従来にあっては、ホールパターンの拡大像からオペレータが手動によりそのホールパターンを計測していた。また、自動的にホールパターンを計測する方法としては、特開昭61−124810号公報に示されるように前記ウェーハの表面パターンを電子顕微鏡で検知し、その拡大表示されたホールパターンの画像をあるしきい値を境として２値化に変換し、そのホールパターン部分に相当する画素を計数することによってそのホールパターンの面積を測定していた。あるいは、特開昭61−265517号公報に示されるように、そのホールパターンの表示面に対して水平方向の直径値のみを測長していた。この方法は、ほぼ垂直方向に平行な２本の直線から成る線パターンのような画像において、その水平方向の幅を測長する装置をホールパターンに使用したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記表示手段に対して水平方向の幅を測定する従来の装置においては、ホールパターンの一方向の直径値しか測長できないため、例えばホールパターンが楕円のような場合には、ホールパターンの向きによって測長値が異なり、ホールパターン全体の形状を反映する情報を得ることが困難であった。また、ホールパターンが表示された画像を２値化に変換し、ホールパターン部分に相当する画素を計数することによって、そのホールパターンの面積を算出する装置においては、そのホールパターンのさまざまな角度の直径値や半径値を測長することはできないので、面積値のみからそのホールパターンの形状を判断することしか出来なかった。半導体のホールパターンにおいては、ホールパターンは真円ではなく、楕円形や四角形などの形として前記表示手段に表示されることもある。そのような場合、面積のみならず、そのホールパターン全体の形状を反映する情報として、さまざまな角度の半径値、及び直径値が必要である。
【０００４】
なお、仮にホールパターンが真円であっても測長中心とホールパターン中心がずれていると、複数の角度方向ごとの測長値が異なるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、ホールパターンの複数方向の測長を行う際の中心と、ホールパターン中心を適正に一致させるのに特に好適なホールパターン形状評価装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的を達成するために、荷電粒子銃から放出された荷電粒子線を試料上で走査することによって、試料から放出される検出信号に基づいて、ホールパターンのエッジ間の距離を測長するホールパターン形状評価装置において、前記ホールパターンの一点を中心として極座標展開を行う手段と、前記極座標展開中心と前記ホールパターンの中心を合わせる手段と、前記検出信号に基づいて前記ホールパターンの一点を中心とした半径方向の座標と角度座標をそれぞれ一次元とする二次元画像を形成する手段を備えたことを特徴とするホールパターン形状評価装置を提供する。
【０００７】
【作用】
ホールパターンの一点を中心として、ホールパターンの半径方向の座標と角度座標をそれぞれ一次元とする二次元画像上に表示されるエッジ（輪郭線）は、極座標展開中心とホールパターン中心の相対位置関係によって変形する。例えばホールパターンが真円の場合、極座標展開中心とホールパターン中心が一致していれば、輪郭線はほぼ直線状となる。即ちエッジがほぼ直線状に形成されるように、電子線の走査領域の移動、或いはイメージシフトを行えば、複数方向への測長を行う際の測長中心とホールパターンの中心が一致することになる。
【０００８】
【実施例】
以下、図面に基づき本発明の実施例を説明する。図１は、本発明によるホールパターン形状評価装置の一実施例を示す概略システム図である。電子銃１より放射された電子ビーム２は、対物レンズ５により細く絞られ試料６（ホールパターンを有した半導体ウェーハ）に照射される。対物レンズ５は対物レンズ電源１４により励磁される。また、偏向信号発生器１２によって発生する偏向信号は偏向増幅器１３によって偏向コイル４を励磁し、電子ビーム２を試料６上で二次元走査する。
【０００９】
また、試料６に入射した電子ビーム２により発生した信号（二次電子信号，反射電子信号など）は、検出器８により電気信号に変換されＡ／Ｄ変換器９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１０に記憶される。この画像メモリ１０の内容は、Ｄ／Ａ変換器１１によりディジタル信号からアナログ信号に変換され、画像表示用ＣＲＴ（陰極線管）２０の輝度信号としてグリッドに引加される。この時、Ａ／Ｄ変換器９，画像メモリ１０，Ｄ／Ａ変換器
１１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１２より受け取る。画像表示用ＣＲＴ２０の偏向コイル１９は、偏向信号発生器１２の偏向信号をもとにＣＲＴ用偏向増幅器２１によって励磁される。
【００１０】
一方、試料６（コンタクトホールパターンの形成された半導体ウェーハ）を載せているステージ７は、ステージ駆動回路１６により移動され、それによって電子ビーム２の試料６上の走査位置が変化し画像表示用ＣＲＴ２０の視野が移動する。同様の視野移動は、イメージシフト制御回路１５によってイメージシフトコイル３が励磁され、電子ビーム２の試料６上の走査位置がオフセットされ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２３によって制御される。
【００１１】
また、カーソル信号発生器１７の信号は、ポインティングデバイス１８（例えばトラックボール）またはコンピュータ２３からの信号によって変化し、画像表示用ＣＲＴ２０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２３は、カーソル信号発生器１７の状態から画像表示用ＣＲＴ２０上のカーソルの位置情報を（Ｘ，Ｙ）座標値として取得できる。さらに操作盤２２によりコンピュータ２３にデータの入力を行う。
【００１２】
ところで、コンピュータ２３は画像表示用ＣＲＴ２０の中心座標(Ｏｘ，Ｏｙ)から距離（Ｒ）内に存在する座標の画像データを画像メモリ１０から読み取り、中心位置を（Ｏｘ，Ｏｙ）として読み取った画像データを極座標展開し、展開された画像をコンピュータ２３内のメモリに記憶するという機能も有する。ただし、（Ｒ）値は、座標（Ｏｘ，Ｏｙ）位置からモニタのどの周囲部分までの距離よりも小さい値である。
【００１３】
このようなシステム構成を有するホールパターン形状評価装置において、ホールパターンの計測方法を以下に説明する。
【００１４】
先ず、操作盤２２により、画像加算角度（Ｓ）及び測定点数（Ｎ）を設定する。（Ｓは０から３６０までの整数値をとる。また、Ｎは偶数値をとり、Ｎ／２は測長される直径数を表す。）コンタクトホールパターン像２４が画像表示用
ＣＲＴ２０に表示された状態を図２に示す。図２において、コンタクトホールパターン像２４と同時に十字カーソル２５が表示されており、コンタクトホールパターン像２４のほぼ中心位置にポインティングデバイス１８からの操作により十字カーソル２５を配置し、操作盤２２から計測の開始を指示する。以後の動作は全て自動的に行われる。
【００１５】
コンピュータ２３は十字カーソル２５の座標を（Ｘ，Ｙ）として読み込み、この値と画像表示用ＣＲＴ２０の中心座標（Ｏｘ，Ｏｙ）の値から、十字カーソルで指定した位置を画像表示用ＣＲＴ２０の中心位置に移動させる移動量（ｄｘ，ｄｙ）を次式により求める。
【００１６】
ｄｘ＝Ｏｘ−Ｘ                                          …（１）
ｄｙ＝Ｏｙ−Ｙ                                          …（２）
求められた移動量は、視野移動信号としてステージ駆動回路１６、あるいはイメージシフト制御回路１５に送られ、ホールパターン像２４の中心が（Ｏｘ，
Ｏｙ）に一致するように視野が移動する。次に、コンピュータ２３は座標（Ｏｘ，Ｏｙ）から距離（Ｒ）内に存在する座標の画像データを画像メモリ１０から読み取り、中心位置を（Ｏｘ，Ｏｙ）として画像データを極座標展開し、展開された画像データをコンピュータ２３内のメモリに記憶する。図３は、極座標展開された画像を示す。横軸が座標（Ｏｘ，Ｏｙ）を中心とする半径座標２６を、縦軸が座標（Ｏｘ，Ｏｙ）を中心とする角度座標２７を示す。ホールパターン像２４のエッジ（輪郭線）は、極座標展開画像上では直線に近い形状のエッジ(輪郭線)２８となる。このようにホールパターンの半径方向と角度座標をそれぞれ一次元とする二次元画像を形成すると、図３のエッジ２８は、極座標展開中心とホールパターン中心の位置関係によって半径方向の座標が変化するので、例えばイメージシフトによって、極座標展開中心とホールパターン中心を一致させるための指標とすることができる。この一致に基づいて複数方向へのホールパターンの測長を行えば、ホールパターンを高精度に評価することができる。特にホールパターンのエッジはばらつくことがあるが、このばらつきによらず正確にエッジを検出することができ、極座標展開中心とホールパターンの中心を一致させることができる。また極座標展開画像上で従来の技術と同様に一方向のエッジ検出を行えば、容易にホールパターン像２４のエッジを放射状に検出することができる。
【００１７】
以下、画像データの加算方法について説明する。コンピュータ２３は、前記測定点数（Ｎ）を用いて間隔角度（Ｄ）を次式により算出する。
【００１８】
Ｄ＝３６０／Ｎ                                          …（３）
次に、前記極座標展開画像において、角度座標２７の方向に沿って前記画像加算角度（Ｓ）で示される幅の領域（例えば図３の斜線部領域２９）をライン加算し、一次元の信号を得る。前記領域を前記間隔角度（Ｄ）ずつ合計Ｎ回ずらしながら、同様の処理によって合計Ｎ個の一次元の信号を得る。以上のライン加算の処理は、極座標展開される前の元の画像上においては、中心を（Ｏｘ，Ｏｙ）として半径を（Ｒ）、中心角を（Ｓ）で示す扇型の領域の画像を前記間隔角度(Ｄ)ずつずらしながら加算することに相当する。画像のライン加算は、一次元信号のノイズを少なくするために行うが、極座標展開する前の元の画像上で水平あるいは垂直方向にライン加算を行うと、ホールパターンのように曲率をもったエッジ（輪郭線）の場合は、一次元データにエッジの情報が正確に反映されない。画像データを上記のように扇型に加算すると、エッジの曲率に沿って加算することになる。次に、それぞれの一次元の信号に対する信号処理によって個々のエッジ位置が検出される。以下、そのエッジ検出の方法を説明する。
【００１９】
図４は、ライン加算によって得られる典型的な信号波形を示す。この信号波形でホールパターン２４のエッジ位置をＥで表す。Ｅより左側の領域はホールパターン２４の中心よりの領域を、逆にＥより右側の領域は外側の領域を示す。次にコンピュータ２３は、前記信号波形を微分し、微分信号の最大値の位置を検出する。得られる微分信号波形を図５に示す。微分信号波形上で最大値の位置が図４の信号波形上のＥの位置に一致する。上記のようにしてｉ番目（ただし、ｉは１からＮまでの整数値）の信号波形より検出されたエッジ位置の半径座標を(ｒｉ)、角度座標を（θｉ）とする。（θｉ）は、ライン加算された幅の中間の位置とするので、次式のように表される。
【００２０】
θｉ＝Ｄ×（ｉ−１）＋Ｓ／２                            …（４）
画像表示用ＣＲＴ１０上でのそれぞれＮ個のエッジ位置（ｘｉ，ｙｉ）は、次式のように表される。
【００２１】
ｘｉ＝ｒｉ×cos（θｉ）＋Ｏｘ                           …（５）
ｙｉ＝ｒｉ×sin（θｉ）＋Ｏｙ                           …（６）
なお、（ｘｉ，ｙｉ）は、整数値となるように四捨五入する。コンピュータ
２３は、画像表示用ＣＲＴ２０上の（ｘｉ，ｙｉ）の座標位置にホールパターン像２４と重ねて、小さなクロスマーク３０をＮ個表示する。図６は、Ｎが８の場合の表示例を示す。
【００２２】
以下に、上記のようにエッジ検出されたホールパターン像２４の画素単位の個々のＮ個の半径値，個々の（Ｎ／２）個の直径値，面積値（ＡＲＥ）及び、平均半径値（ＲＡＤ）の算出方法を説明する。
【００２３】
まず、Ｎ個の半径値は、ｒｉ（ｉは１からＮまでの整数値）で表される。Ｎ／２個の直径値は、互いに反対方向の半径値を足した値、すなわち（ｒｉ＋ｒｊ）（ただし、ｉは１からＮ／２までの整数値、ｊ＝ｉ＋Ｎ／２）で表される。また、平均半径値（ＲＡＤ）についてであるが、前記ホールパターンの面積を前記間隔角度Ｄで区切られた三角形の面積（例えば図７の斜線部分の三角形の領域）の合計値と近似的にみなすと、近似面積は、次式のようになる。
【００２４】
Σｒｉ2×（sinＤ）／２（ｉ＝１，２，…，Ｎ）            …（７）
一方、平均半径値（ＲＡＤ）を使って上記と同様に計算した近似面積は、次式のようになる。
【００２５】
Ｎ×(ＲＡＤ)2(sinＤ)／２                                …（８）
これら両者（（７）と（８））の近似面積がほぼ等しいとおく。
【００２６】
ＲＡＤ2＝Σｒｉ2／Ｎ                                    …（９）
（９）式のように、（ＲＡＤ）は、等角度（Ｄ）ずつずれた方向のそれぞれの半径値（ｒｉ）を二乗した値の相加平均を求め、その値の平方根をとった値に近似的に等しい。さらに前記ホールパターンの面積は、近似的に次式によって求められる。
【００２７】
ＡＲＥ＝π×ＲＡＤ2                                   …（１０）
面積値（ＡＲＥ），平均半径値（ＲＡＤ）は、前記測定点数（Ｎ）が大きいほど真値に近くなる。前記十字カーソル２５の配置位置が前記コンタクトホールパターン２４の真の中心位置からずれていても、単に測定された前記Ｎ個の半径値（ｒｉ）の平均をとるのではなく、近似面積から平均半径値（ＲＡＤ）を導くので、十字カーソル２５の位置による平均半径値（ＲＡＤ）の誤差は小さい。よって、平均半径値あるいは、平均直径値のみを必要とする場合は、中心の指定を正確に行う必要はない。また、平均半径値（ＲＡＤ）を２倍すると平均直径値が算出される。
【００２８】
以上のようにホールパターンを指定された一点を中心として放射状にエッジ検出すると、ホールパターンの水平あるいは垂直方向の測長値だけでなく、さまざまな角度方向の測長値を知ることができる。また、いろいろな角度方向の測長値からそのホールパターンの全体形状を評価することができる。さらに、例えば楕円形のようなホールパターン像を画像表示用ＣＲＴに対して一方向のみ測長する場合は、そのホールパターン像の向きによって測長値が異なるが、そのホールパターンの面積値や平均直径値及び平均半径値は一定である。
【００２９】
前記実施例において、画像表示用ＣＲＴ２０に十字カーソル２５を指定する手段は、例えばトラックボールのようなポインティングデバイス１８であったが、これは、マウスや矢印キーなどでも良い。また、十字カーソル２５や検出されたエッジ位置を表示するクロスマーク３０の代わりに矢印や点でもよい。また、ホールパターン２４の中心位置を十字カーソル２５で指定した後、その位置が画像表示用ＣＲＴ２０の中心座標（Ｏｘ，Ｏｙ）に一致するようにイメージシフトしているが、イメージシフトせずに指定された位置座標を中心としてコンピュータ２３により極座標展開を行ってもよい。しかしその場合、極座標展開する範囲の半径値（Ｒ）の値を調整するなどの工夫により展開範囲が画像表示用ＣＲＴ２０の範囲を越えないようにしなければならない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の測長方向中心とホールパターンの相対位置を精度良く合わせることができ、ホールパターンを高精度に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるホールパターン形状評価装置の一実施例を示す概略システム図である。
【図２】画像表示用ＣＲＴに表示されたホールパターン像の中心位置にポインティングデバイスからの操作により十字カーソルを配置した場合の画面図である。
【図３】極座標展開された画像を示す図である。
【図４】ライン加算によって得られる典型的な信号波形図である。
【図５】図４の信号波形を微分した信号の波形図である。
【図６】画像表示用ＣＲＴにホールパターン像と同時に検出されたエッジ位置を小さなクロスマークで表示した画面図である。
【図７】隣合う半径で囲まれた三角形の領域を示す図である。
【符号の説明】
１８…ポインティングデバイス、２３…コンピュータ、２４…ホールパターン像、２５…十字カーソル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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