JP2005347595A

JP2005347595A - 半導体装置のパターンおよびパターン形成方法

Info

Publication number: JP2005347595A
Application number: JP2004166735A
Authority: JP
Inventors: Michiyo Iwamoto; 三千代岩元
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】半導体基板上に形成された寸法測定パターンの寸法を測長ＳＥＭを用いて測定する際、寸法測定パターンの位置を画像認識する上で必要となる位置認識パターンの画像認識の精度を高める。
【解決手段】半導体基板１上に形成された寸法測定パターン７上に電子線をスキャンさせ、寸法測定パターン７からの二次電子信号を検出することによりパターンの寸法を測定するに際し、寸法測定パターン７の位置を特定するための基準とする位置認識パターンが基板１上に形成された半導体装置のパターンであって、位置認識パターン２６は、予め登録された位置認識パターンの画像データと、基板１上に形成された位置認識パターン画像との比較により検出され、かつ、位置認識パターン２６の近傍に形成されるパターンとは異なる形状を有するように設計されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体集積回路装置上に形成されている微細パターンの寸法測定を測長用ＳＥＭで行う場合の、寸法測定用パターンについての半導体装置のパターンおよびパターン形成方法に関するものである。

半導体集積回路装置の素子パターン微細化にともなって、電子線を半導体基板上に形成された寸法測定パターンに照射し、寸法測定パターンから放出された二次電子を検出してパターン寸法を自動で測定するＳＥＭを用いた測長方法が一般に用いられている（例えば、特許文献１）。この方法においては半導体基板上の寸法測定用パターンに付属したパターンと、予め登録してあるそのパターンの画像を比較することにより、寸法測定用パターンのウェハ上の位置、寸法測定点を認識するようになっている。

以下に、従来の微細パターンの寸法測定方法を、図を用いて説明する。図３は、微細パターンの寸法測定を行うウェハの平面図であり、半導体基板１上に寸法測定パターンを含む領域２，３，４，５，６と寸法測定パターン７，８，９，１０，１１および寸法測定に際してウェハ上の位置を認識するための位置認識パターン１２，１３が形成されている。この位置認識パターンは意図的に形成されることもあるが、一般的な集積回路パターンの中から選択されることが多い。微細パターンの寸法測定は、上に述べたように通常、測長ＳＥＭと呼ばれる寸法測定装置にて行われる。半導体基板１は測長ＳＥＭのステージ上に設置され、測定用の真空室に挿入され、測定が開始される。はじめに、１００倍程度の倍率である光学顕微鏡を用いて、位置認識パターン１２，１３の画像を真空中にて検出し、予め登録してある位置認識パターン形状の画像と比較することにより、位置認識パターン１２，１３のステージ上での位置を認識する。

次に、光学顕微鏡にて検出した位置認識パターンのステージ上座標において、画面をＳＥＭ画像に切り替えて、ＳＥＭ画像での位置認識パターン１２，１３の画像を検出し、予め登録してある位置認識パターン１２，１３の画像と比較することにより、位置認識パターン１２，１３のステージ上での位置を認識する。はじめに光学顕微鏡にて位置認識を行うのは、ステージ上に設置された半導体基板１には、測長ＳＥＭにおけるステージ上での絶対座標に対して、１００μｍから２００μｍ程度の位置ずれが生じているためである。ＳＥＭ画像にて位置認識パターン１２，１３の位置を認識したのち、位置認識パターン１２，１３を原点とした座標を用い、寸法測定パターンを含む図１に示した領域２，３，４，５，６が形成されている位置のいずれかの座標へＳＥＭの視野を移動する。

図４（ａ）は寸法測定パターンを含む領域の拡大図であるが（１４はＳＥＭ上の画面領域）、このパターンに視野を移動した後、寸法測定パターン１５の一部である領域１６を検出する。この領域１６としては、寸法測定パターン１５の周辺領域に、領域１６内のパターンに似た形状のパターンが無いように選ばれたものであって、したがって寸法測定パターン１５の周辺領域とは異なる特徴的なパターンが存在する領域となっている。ここでＳＥＭには、予め、特徴的なパターン領域１６の画像および特徴的なパターン領域から寸法測定を行なう位置までの距離１７が登録してある。そして登録してある画像と、実際に寸法を測定すべきウェハ上の特徴的なパターン領域１６の画像とを比較することにより、ＳＥＭがパターン領域１６の位置を認識し、寸法測定パターン１５上の寸法測定位置へ移動して、測定パターン１５を横切って電子線をスキャンさせ寸法を測定する。図４（ｂ）は寸法測定状態を示す図であり、２１が電子線のスキャン位置である。このとき得られる二次電子信号強度波形２０でみた、パターン１５の２辺のエッジ１８およびエッジ１９を画像処理にて自動検出し、その距離を計測することにより寸法測定が行われる。また、寸法測定を行う際は、寸法測定箇所において、自動でフォーカス合わせを行ってから測定を行う。

寸法測定は、予め、寸法測定に必要な各種パターン形状の画像を測長ＳＥＭに登録しておき、寸法を測定すべきウェハ上に形成された、登録画像に最も類似した画像を認識して寸法測定パターンを検出する。これにより、寸法測定は、ウェハの位置認識から測定パターンの検索、測定までを全て自動で行うことができ、測定者の違いに起因する寸法値のばらつきを低減するとともに測定者数の削減が可能となるため、今後主流となる寸法測定方法であると考えられる。
特開２００２−３１５０８号公報

しかしながら、従来の寸法測定における画像検出方法では以下のような課題があった。第１に、従来の寸法測定技術は、図４（ａ）に示したように寸法測定パターンの一部の領域１６を電子線スキャン位置を特定するための位置認識箇所（パターン）とするものであるが、半導体集積回路製造途中における全ての寸法測定工程のなかの一部の工程に使用されるフォトマスクレイヤの寸法測定パターンの周辺に、領域１６のパターンとよく似たパターンが存在し、位置認識パターンとして周辺にはない特徴的なパターンを登録できない場合がある。

第２に、製造工程によっては下地膜を構成する材料と図１に示す位置認識パターン１２，１３を構成する材料が同一になる場合があり、こうしたときは、図５に示すように位置認識パターン２３と位置認識パターン２３の周辺領域２２とのコントラストが低く、結果的にパターン２３を認識しずらい場合がある。また別の工程に属するフォトマスクレイヤにおいては、位置認識パターンとして選択したパターンが小さすぎて、測長用ＳＥＭの倍率を高くしなければ認識できない場合も生ずる。

第３に、測長ＳＥＭにおいて、ウェハ上の位置を認識する位置認識パターンを選択しようとして、図６に示すようにパターン２４を選んだとしても、その周辺にパターン２５のような類似パターンが存在するため、画像登録や画像認識が困難な場合がある。

以上のように、寸法測定パターンの一部が特徴的な位置認識パターンとならなかったり、画像登録に適した位置認識パターンが無い場合には、該当箇所に存在するパターンの内、比較的特長のあるパターンを探し出し画像登録を行なっていたが、この方法では実際に寸法測定を行なう際に、位置認識パターンの画像認識が不可能となり、測定が停止してしまう課題が多く発生していた。また、寸法測定の際に、図４（ａ）に示す孤立パターン１５のように、寸法測定パターンそのものを特徴的なパターン領域とする場合、近くに類似したパターンがあることが多い。また図４（ａ）を参照して明らかなように領域１６内画面の表示されたパターンは３辺で構成された簡単なものなのでパターン率が少なく、画像認識するための特徴的な構成要素が低下し、寸法測定箇所を誤認識してしまう確率が高くなる。すなわち画像認識が不可能となり、測定が停止してしまう場合がある。

上記課題は、寸法測定精度の低下、特徴的なパターン検索時間の増加、測定動作の停止を引き起こすことになり、測定作業効率の低下につながる。また、製造工程に使用する各マスクレイヤごとに、位置認識パターンとして使用できるパターン形状や、寸法測定パターン形状が異なるものが使用されていた。例えば多層配線プロセスにおける配線形成工程での寸法測定では、第一配線と第二配線で、配線の構造、配線寸法が全く同一であっても、それぞれの配線パターンマスクレイヤで、位置認識パターン、寸法測定パターン画像登録を従来はしており、画像登録の必要回数が多く、作業効率の低下につながっていた。

したがって、この発明の目的は、前記に鑑み、半導体基板上に形成された寸法測定パターンの寸法を測長ＳＥＭを用いて測定する際、寸法測定パターンの位置を画像認識する上で必要となる位置認識パターンの画像認識の精度を高めることと、効率的な画像登録を行うことができる半導体基板上の寸法測定用位置認識パターンを有する半導体装置のパターンおよびパターン形成方法を提供することである。

前記の目的を達成するために、この発明の請求項１記載の半導体装置のパターンは、半導体基板上に形成された寸法測定パターン上に電子線をスキャンさせ、前記寸法測定パターンからの二次電子信号を検出することによりパターンの寸法を測定するに際し、前記寸法測定パターンの位置を特定するための基準とする位置認識パターンが前記基板上に形成された半導体装置のパターンであって、前記位置認識パターンは、予め登録された前記位置認識パターンの画像データと、前記基板上に形成された位置認識パターン画像との比較により検出され、かつ、前記位置認識パターンの近傍に形成されるパターンとは異なる形状を有するように設計されている。

請求項２記載の半導体装置のパターンは、半導体基板上に形成された寸法測定パターン上に電子線をスキャンさせ、前記寸法測定パターンからの二次電子信号を検出することによりパターンの寸法を測定するに際し、前記寸法測定パターン上の電子線スキャン位置を決定するための基準とする特徴的なパターンが前記寸法測定パターンの近傍に形成された半導体装置のパターンであって、前記特徴的なパターンは、予め登録された前記特徴的なパターンの画像データと、前記基板上に形成された特徴的なパターン画像との比較により検出され、かつ、前記特徴的なパターンの近傍に形成されるパターンとは異なる形状を有するように設計されている。

請求項３記載の半導体装置のパターンは、請求項１または２記載の半導体装置のパターンにおいて、前記位置認識パターンまたは前記特徴的なパターンの近傍に形成されたパターンは、半導体集積回路に属するパターンである。

請求項４記載の半導体装置のパターン形成方法は、半導体基板上に第１のフォトマスクレイヤおよび第２のフォトマスクレイヤにより回路パターンを形成する製造工程において、請求項２記載の半導体装置のパターンを形成する際に、前記第１のフォトマスクレイヤおよび第２のフォトマスクレイヤによって形成される前記回路パターンの構成要素が同一機能を有するとき、前記第１のフォトマスクレイヤによって形成される特徴的なパターンと、前記第２のフォトマスクレイヤで形成される特徴的なパターンとを同一に形成する。

請求項５記載の半導体装置のパターン形成方法は、請求項４記載の半導体装置のパターン形成方法において、前記第１のフォトマスクレイヤで形成される特徴的なパターンと、前記第２のフォトマスクレイヤで形成される特徴的なパターンとは形状、大きさ、および前記寸法測定パターンとの距離が同一である。

請求項６記載の半導体装置のパターン形成方法は、請求項４記載の半導体装置のパターン形成方法において、前記第１のフォトマスクレイヤおよび前記第２のフォトマスクレイヤは、ともに前記回路パターンの配線層である。

この発明の請求項１記載の半導体装置のパターンによれば、位置認識パターンは、予め登録された位置認識パターンの画像データと、基板上に形成された位置認識パターン画像との比較により検出され、かつ、位置認識パターンの近傍に形成されるパターンとは異なる形状を有するように設計されているので、寸法測定を行う際にＳＥＭなどの画像上で位置認識パターンを容易に認識することができ、その周辺に存在するパターンと画像誤認識をすることが無くなり、認識精度を高めることができる。また、位置認識パターンの位置を認識することで、位置認識パターンを原点とした座標を用いて、寸法測定パターンの座標へ画像の視野を移動することができる。

この発明の請求項２記載の半導体装置のパターンによれば、特徴的なパターンは、予め登録された特徴的なパターンの画像データと、基板上に形成された特徴的なパターン画像との比較により検出され、かつ、特徴的なパターンの近傍に形成されるパターンとは異なる形状を有するように設計されているので、寸法測定を行う際にＳＥＭなどの画像上で特徴的なパターンを認識することができ、その周辺に存在するパターンと画像誤認識をすることが無くなり、認識精度を高めることができる。また、このように特徴的なパターンの位置を認識し、これを基準として寸法測定パターンの寸法測定位置に電子線をスキャンさせることで、寸法測定精度を高めることができる。

請求項３では、位置認識パターンまたは特徴的なパターンの近傍に形成されたパターンは、半導体集積回路に属するパターンであるので、従来例において誤認識しやすい半導体集積回路に属するパターンに位置認識パターンや特徴的なパターンが似ていることがない。

この発明の請求項４記載の半導体装置のパターン形成方法によれば、請求項２記載の半導体装置のパターンを形成する際に、第１のフォトマスクレイヤおよび第２のフォトマスクレイヤによって形成される回路パターンの構成要素が同一機能を有するとき、第１のフォトマスクレイヤによって形成される特徴的なパターンと、第２のフォトマスクレイヤで形成される特徴的なパターンとを同一に形成するので、画像比較のために登録する特徴的なパターン数が低減し、効率的な画像登録を行うことができる。

請求項５では、請求項４記載の半導体装置のパターン形成方法において、第１のフォトマスクレイヤで形成される特徴的なパターンと、第２のフォトマスクレイヤで形成される特徴的なパターンとは形状、大きさ、および寸法測定パターンとの距離が同一であることが望ましい。

請求項６では、請求項４記載の半導体装置のパターン形成方法において、第１のフォトマスクレイヤおよび第２のフォトマスクレイヤは、ともに回路パターンの配線層であることが望ましい。

この発明の実施の形態による半導体装置のパターンを図１および図２に基づいて説明する。図１（ａ）は、本発明の実施形態において微細パターンの寸法測定を行おうとするウェハの平面図、（ｂ）はその位置認識パターンを示す図である。

図１（ａ）に示すように、半導体基板１上に寸法測定パターンを含む領域２，３，４，５，６とその領域内に形成された寸法測定パターン７，８，９，１０，１１および寸法測定に際してウェハ上の寸法測定パターンなどの位置を認識するための位置認識パターン１２ａ，１３ａが形成されている。

微細パターンの寸法測定は、従来と同様に測長ＳＥＭと呼ばれる寸法測定装置にて行われる。半導体基板１は測長ＳＥＭのステージ上に設置され、測定用の真空室に挿入され、測定が開始される。はじめに、測長ＳＥＭに付属した１００倍程度の倍率である光学顕微鏡を用いて、位置認識パターン１２ａ，１３ａの画像を真空中にて検出し、予め登録してある位置認識パターン１２ａ，１３ａに対するパターン形状の画像と比較することにより、位置認識パターン１２ａ，１３ａのステージ上での位置座標を認識する。次に画面をＳＥＭ画像に切り替えて、ＳＥＭ画像での位置認識パターン１２ａ，１３ａの画像を検出し、予め登録してあるＳＥＭ画像による位置認識パターン画像と比較することにより、位置認識パターン１２ａ，１３ａのステージ上での位置座標を認識する。はじめに光学顕微鏡にて位置認識を行うのは、ステージ上に設置された半導体基板１には、測長ＳＥＭにおけるステージ上での絶対座標に対して、１００μｍから２００μｍ程度の位置ずれが生じているのが普通であり、そのため直接高倍率のＳＥＭ画像では探し出せないためである。

また、位置認識パターン１２ａ，１３ａは、位置認識パターンの近傍に形成されるパターンとは異なる形状を有するように設計されている。この場合、予め位置認識パターン１２ａ，１３ａの画像データとして登録するパターンとして、半導体集積回路を製造するための各フォトマスクレイヤに、図１（ｂ）のＳＥＭ表示画面領域２２に示す位置認識パターン２６のように、それを配置する基板上の周辺領域にそれと似たパターンが全く存在せず、必ずどのパターンとも区別できるような特徴的なパターンをフォトマスクの設計段階で配置する。図１（ｂ）に示した位置認識パターン２６は一例であってこれ以外の複雑なパターンを使用してもよい。この点が本発明の位置認識パターンの特徴の一つである。そしてこのパターンは測長ＳＥＭ装置で画像認識しやすい１２〜２０μｍ程度の大きさに形成することが望ましい。したがって位置認識パターン２６をその周辺に存在する他のパターンと異なる特徴的なパターンとしたために、容易にＳＥＭ画像上でパターン検出、位置認識ができる。

このようにしてＳＥＭ画像にて位置認識パターン１２ａ，１３ａの位置を認識したのち、位置認識パターン１２ａ，１３ａを原点とした座標を用いて、それを起点として各寸法測定パターンを含む領域２，３，４，５，６のいずれかの座標へＳＥＭ画像の視野を移動する。

図２（ａ）は本発明の実施形態においてＳＥＭの視野の移動先である寸法測定パターンを含む領域のＳＥＭ画面を示す図である。１５は寸法測定パターンである。移動後この領域の特徴的なパターン２７を検出する。このパターン２７は数字であり、寸法測定パターン１５の周辺に存在する半導体集積回路領域にはこのような数字パターンはあり得ないから、寸法測定パターン１５の周辺領域のどのパターンとも異なる特徴的なパターンとなっている。このパターン２７はフォトマスクパターン設計段階で意図的に形成される。

そして測長ＳＥＭには、予め、特徴的なパターン２７のＳＥＭ画像および特徴的なパターン２７からパターン１５上の、電子線を照射スキャンして寸法測定を行なう位置までの距離２８が登録してある。登録してあるパターン２７の画像と、測定すべき半導体基板に実際に形成された特徴的なパターン２７とを比較することにより、パターン２７の位置を認識し、これを基準として寸法測定位置へ移動して、測定パターン１５を横切って電子線をスキャンさせる。図２（ｂ）は測定中の寸法測定パターンを示す図である。スキャン経路２１に対応した二次電子信号強度波形２０における、パターン１５の２辺に対応したエッジ１８およびエッジ１９を画像処理にて自動検出し、その距離を計測することにより寸法測定が行われる。ここで予め寸法測定位置を検出するための位置認識パターン２７の画像データとして登録するパターンとして数字のような周辺部にはあり得ない特徴的なパターンとしたので従来のような誤認識がなくなり、高精度な寸法測定箇所の認識を行うことができる。パターン２７はまた、寸法測定に用いる倍率において画像認識しやすい大きさに形成されている。

以上説明したような位置認識パターンは各フォトマスクレイヤに設計段階で形成するものであり、各フォトマスクレイヤにおいてそれぞれ異なる区別が容易なパターンを入れればよい。この場合は位置認識が確実にできるが、パターン画像登録作業に時間がかかる。そこで特定のフォトマスクレイヤに対しては次のようにすることも可能である。すなわち、例えば多層配線プロセスにおける配線形成工程での寸法測定では、第一配線と第二配線で、配線の構造、測定すべき配線寸法が全く同一である場合には、図２（ａ）に示すパターン２７を第一配線で「１」、第二配線で「２」のように変えず、第一配線、第二配線とも「１」のように完全に同一形状のものとし、かつ第一配線、第二配線とも、寸法測定箇所から同距２８にすることにより、同一の登録画像にて第一配線工程および第二配線工程の寸法測定を行うことができる。つまり、複数のフォトマスクレイヤそれぞれにおいて、それらで形成される半導体集積回路の構成要素が配線のように同一の機能特性を発揮し、同一下地に同一設計寸法のパターンを形成する工程時の寸法測定の場合は、同一画像にて複数工程の寸法測定を行うことができる。これにより、画像登録作業の効率化を図ることができる。

本発明に係る半導体装置のパターンおよびパターン形成方法は、半導体基板などに形成された微細パターンの寸法測定を測長機を用いて、自動的に寸法測定パターン位置を認識し、自動測定する場合に有用であり、この技術は半導体分野に限らず微細パターン寸法を測定する場合にも応用できる。

（ａ）は本発明の実施形態において微細パターンの寸法測定を行おうとするウェハの平面図、（ｂ）はその位置認識パターンを示す図である。（ａ）は本発明の実施形態においてＳＥＭの視野の移動先である寸法測定パターンを含む領域のＳＥＭ画面の平面図、（ｂ）は測定中の寸法測定パターンを示す図である。従来のパターン寸法測定を行おうとするウェハの平面図である。従来の寸法測定個所の位置認識パターンを示す図である。従来の位置認識パターンの問題点を示す図である。従来の位置認識パターンの問題点を示す図である。

符号の説明

１半導体基板
２，３，４，５，６寸法測定パターンを含む領域
７，８，９，１０，１１寸法測定パターン
１２，１２ａ，１３，１３ａ位置認識パターン
１４，２２ＳＥＭ表示画面領域
１５寸法測定パターン
１６特徴的なパターン領域
１７，２８特徴的なパターンと寸法測定箇所の距離
１８，１９エッジ
２０二次電子信号強度波形
２１電子線スキャン位置
２３，２４，２６位置認識パターン
２５位置認識パターンとの類似パターン
２７特徴的なパターン

Claims

半導体基板上に形成された寸法測定パターン上に電子線をスキャンさせ、前記寸法測定パターンからの二次電子信号を検出することによりパターンの寸法を測定するに際し、前記寸法測定パターンの位置を特定するための基準とする位置認識パターンが前記基板上に形成された半導体装置のパターンであって、前記位置認識パターンは、予め登録された前記位置認識パターンの画像データと、前記基板上に形成された位置認識パターン画像との比較により検出され、かつ、前記位置認識パターンの近傍に形成されるパターンとは異なる形状を有するように設計されていることを特徴とする半導体装置のパターン。
半導体基板上に形成された寸法測定パターン上に電子線をスキャンさせ、前記寸法測定パターンからの二次電子信号を検出することによりパターンの寸法を測定するに際し、前記寸法測定パターン上の電子線スキャン位置を決定するための基準とする特徴的なパターンが前記寸法測定パターンの近傍に形成された半導体装置のパターンであって、前記特徴的なパターンは、予め登録された前記特徴的なパターンの画像データと、前記基板上に形成された特徴的なパターン画像との比較により検出され、かつ、前記特徴的なパターンの近傍に形成されるパターンとは異なる形状を有するように設計されていることを特徴とする半導体装置のパターン。
前記位置認識パターンまたは前記特徴的なパターンの近傍に形成されたパターンは、半導体集積回路に属するパターンである請求項１または２記載の半導体装置のパターン。
半導体基板上に第１のフォトマスクレイヤおよび第２のフォトマスクレイヤにより回路パターンを形成する製造工程において、請求項２記載の半導体装置のパターンを形成する際に、前記第１のフォトマスクレイヤおよび第２のフォトマスクレイヤによって形成される前記回路パターンの構成要素が同一機能を有するとき、前記第１のフォトマスクレイヤによって形成される特徴的なパターンと、前記第２のフォトマスクレイヤで形成される特徴的なパターンとを同一に形成することを特徴とする半導体装置のパターン形成方法。
前記第１のフォトマスクレイヤで形成される特徴的なパターンと、前記第２のフォトマスクレイヤで形成される特徴的なパターンとは形状、大きさ、および前記寸法測定パターンとの距離が同一である請求項４記載の半導体装置のパターン形成方法。
前記第１のフォトマスクレイヤおよび前記第２のフォトマスクレイヤは、ともに前記回路パターンの配線層である請求項４記載の半導体装置のパターン形成方法。