JP2008058166A - パターンのずれ測定方法、及びパターン測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、複数のパターンが理想的に重ね合わせられている設計データを用いて、パターン画像に表れているパターン間のずれを評価する評価方法、及び装置の提供にある。
【解決手段】上記目的を達成するための本発明の一例として、上層パターンについて、設計データの線分と、荷電粒子線像のエッジ間の第１の距離を測定し、下層パターンについて、設計データの線分と、荷電粒子線像のエッジ間の第２の距離を測定し、前記第１の距離と第２の距離に基づいて、前記上層パターンと下層パターンの重ね合わせずれを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パターン測定方法、及び荷電粒子線装置に係り、特に設計データに基づく線図と、荷電粒子線画像との間のずれを測定する方法、及び装置に関する。

半導体回路設計データを用いて、半導体ウェハやフォトレチクル上のパターン欠陥を検出する技術が知られている。回路設計データは、半導体パターンが形成されるべき理想的な形状を示すものであるため、このパターンと比較することによって半導体製造プロセスの出来栄えを評価することが可能とある。特許文献１や特許文献２には、検査対象パターンと基準パターンのエッジ検出を行い、検出されたエッジを比較することによって、設計データに対するパターンの変形量を検出することが開示されている。

特開２００１−３３８３０４号公報 特開２００２−３１５２５号公報

昨今、半導体デバイスの多層化が進み、その重ね合わせ精度が重要な測定項目となっている。上下層のパターン間のずれは、その複合パターンによって形成される半導体素子の性能を左右するものであり、非常に重要な評価項目である。しかしながら、上記特許文献１、特許文献２はそのような多層パターンを構成するパターン間のずれを測定することを志向するものではなかった。

本発明の目的は、複数のパターンが理想的に重ね合わせられている設計データを用いて、パターン画像に表れているパターン間のずれを評価する評価方法、及び装置の提供にある。

上記目的を達成するための本発明の一例として、上層パターンについて、設計データの線分と、荷電粒子線像のエッジ間の第１の距離を測定し、下層パターンについて、設計データの線分と、荷電粒子線像のエッジ間の第２の距離を測定し、前記第１の距離と第２の距離に基づいて、前記上層パターンと下層パターンの重ね合わせずれを検出する方法、及び装置を提案する。

以上のような構成によれば、理想的に重ね合わせられた設計データに基づいて、実際に形成されたパターンの重ね合わせずれを評価することが可能となる。

上記本発明の一例によれば、理想的に重ね合わされた設計データを基準として、重ね合わせ精度を評価することが可能となるので、精度の高い重ね合わせ評価が可能となる。

以下に走査形電子顕微鏡（以下Scanning Electron Microscope：ＳＥＭと呼ぶ）の概略を説明する。図１の電子光学系は荷電粒子である電子を放出する荷電粒子源（電子銃）３０１から発せられる該荷電粒子線（電子ビーム）３０２を走査コイル３０３により試料３０４上に集束させて任意の順序で走査することができる。

電子線の照射により試料３０４の表面において発生する二次粒子（例えば二次電子）３０５は二次粒子検出系３０６により検出され、画像データとして画像演算制御の機能も持たせた制御系３０７（制御プロセッサ）に入力される。試料３０４はＸ−Ｙ−Ｚステージ３０８により３次元方向すべての方向に移動可能である。制御系３０７は、荷電粒子源（電子銃）３０１，レンズ３０３，二次粒子検出系３０６，Ｘ−Ｙ−Ｚステージ３０８、および画像表示装置３０９の制御も行う。

本例の場合、電子ビーム３０２は、走査コイル３０３で試料４上を二次元的（Ｘ−Ｙ方向）に走査される。二次粒子検出系３０６内の二次電子検出器で検出された信号は、制御系３０７内の信号増幅器で増幅された後、画像メモリに転送されて画像表示装置３０９に試料像として表示される。二次信号検出器は二次電子や反射電子を検出するものであっても、光やＸ線を検出するものであっても良い。

なお、画像メモリのメモリ位置に対応したアドレス信号が、制御系３０７内、或いは別に設置されたコンピュータ内で生成され、アナログ変換された後に、走査コイルに供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば画像メモリが５１２×５１２画素(pixel) の場合、０から５１２を繰り返すデジタル信号であり、Ｙ方向のアドレス信号は、Ｘ方向のアドレス信号が０から５１２に到達したときにプラス１される０から５１２の繰り返しのデジタル信号である。これがアナログ信号に変換される。

画像メモリのアドレスと電子ビームを走査するための偏向信号のアドレスが対応しているので、画像メモリには走査コイルによる電子線の偏向領域の二次元像が記録される。なお、画像メモリ内の信号は、読み出しクロックで同期された読み出しアドレス生成回路で時系列に順次読み出すことができる。アドレスに対応して読み出された信号はアナログ変換され、画像表示装置３０９の輝度変調信号となる。

制御系３０７には、図示しない入力装置が設けられ、画像の取り込み条件（走査速度，画像積算枚数）や視野補正方式などの指定、および画像の出力や保存などを指定することができる。

また本例で説明する装置は、検出された二次電子或いは反射電子等に基づいて、ラインプロファイルを形成する機能を備えている。ラインプロファイルは一次電子線を一次元、或いは二次元走査したときの電子検出量、或いは試料像の輝度情報等に基づいて形成されるものであり、得られたラインプロファイルは、例えば半導体ウェハ上に形成されたパターンの寸法測定等に用いられる。

なお、図１の説明は制御系３０７が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次信号検出器で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、制御プロセッサから走査電子顕微鏡のレンズや偏向器等に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。

更に、本例装置は、例えば半導体ウェハ上の複数点を観察する際の条件（測定個所，走査電子顕微鏡の光学条件等）を予めレシピとして記憶しておき、そのレシピの内容に従って、測定や観察を行う機能を備えている。

また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。即ち、以下に説明する例は画像プロセッサを備えた走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に採用可能なプログラム、或いはプログラムプロダクトとしての説明でもある。

更に、制御系３０７には、半導体ウェハ上のパターンの設計データを記憶し、ＳＥＭの制御に必要なデータに変換する回路設計データ管理部３１０を備えている。当該設計データ管理部３１０は、図示しない入力装置等によって入力された半導体パターンの設計データに基づいて、上記ＳＥＭを制御するレシピを作成する機能を備えている。また、制御系３０７から伝達される信号に基づいて、レシピを書き換える機能をも備えている。なお、本実施例の説明では設計データ管理部３１０が、制御系３０７と別体のものとして説明するが、これに限られることはなく、制御系３０７と設計データ管理部３１０が一体であっても良い。

本実施例においては試料３０４として、半導体製品を製造する過程にあるウェハとした。当該ウェハは対象とするレイヤーのパターンとその下層のレイヤーのパターンが観察できるようなウェハとする。この二つのレイヤーの比較対象として、それぞれのパターンに対応する半導体回路設計データを用いた。

ここで用いる半導体回路設計データとは、最終的に半導体回路パターンとして所望される理想のパターン形状である。なお、以下の説明では、検査対象を半導体ウェハとしたが、設計データと評価したい対象が対をなしていればこれに限ることはない。また、回路設計データは、回路設計データを表示するソフトウェアがそのフォーマット形式を表示でき図形データとして取り扱うことができれば、そのフォーマットや種類は問わない。

以下、図２に示すフローを用いて本実施例を説明する。試料として回路設計パターンの比較対象となるウェハとしては、素子分離レイヤーの上に配線レイヤーのそれぞれのパターンが転写されたものを用いた。配線レイヤーについては、エッチング工程が終わった段階とした。リソグラフィー工程の後ではレジストの下に反射防止膜などが存在するため、その下の素子分離レイヤーのパターンを観察することができず二つのレイヤーの重ね合わせ精度を計測することできないからである。

測定箇所としては回路設計データにおいて、図３、図４、図５、図６の四カ所とし、ＳＥＭ像の視野領域としては全ての箇所において、一辺１ｕｍの正方領域とした。

次に、取得したパターン画像に対応する回路設計データよりテンプレート図形を作成した。一般的に回路設計データは大容量の為評価箇所毎に線分を抽出し、小さなサイズのファイルとして取り扱えるようにした。回路設計データとしてＧＤＳＩＩフォーマットのファイルを用いたので、このフォーマットを取り扱うことのできる回路設計データのエディターとしてＪＥＤＡＴ社のＳＸ−９０００を利用した。

図３の評価領域範囲５０３上における上層パターンの設計データパターン５０１と、下層パターンの設計データパターン５０２について、２つのレイヤーの図形をそれぞれ別に表示すると図７と図８のようになる。この線図を単に重ね合わせたものが図５であるが、ウェハ上のパターンではこれが立体的に重ね合わせられているため、このままでは位置合わせを行うためのテンプレートとして利用できなかった。

実際は、上のレイヤーである配線パターンの下に存在するパターンが見えない状態になってしまうからである。そこで本実施例に用いるテンプレート図形を作成する為に、図３の箇所を例として以下のように図形演算処理を行った。

両者の図形の重なる領域を抽出した結果が図９の上層パターンと下層パターンの重合領域９０１のようになった。下層パターンの設計データパターン５０２から、重合領域９０１を差し引いた結果、図１０のような画像を得た。

図１０の差し引き後の下層パターン１００１に、上層パターンの設計データパターン５０１を重ね合わせた結果、図１１に示すテンプレート１１０１を得た。

これにより、ウェハ上のパターン画像に相当する回路設計データ図形のテンプレートが作成された。このテンプレートにおいては、上のレイヤーに所属する図形と下のレイヤーに所属する図形の区分がなされている。図８が上のレイヤー線分を図示したもので、図１０が下のレイヤー線分を図示したものである。本実施例ではこの領域について各図形を構成する頂点の座標値をＳＸ−９０００からテキストファイルにて出力したものをテンプレート図形として利用した。

このテキストファイルにおいては、上のレイヤーの図形である図８に説明する上層の設計データパターン５０１と、図１２に説明する下のレイヤーの図形１２０１のそれぞれに含まれる頂点はそれぞれ区別されて保存された。

図３の評価領域範囲５０３に相当するＳＥＭ画像１３０３を図１３に示す。ＳＥＭ画像領域１３０３上には、ＳＥＭ像上の上層パターン１３０１と、ＳＥＭ像上の下層パターン１３０２が表示されている。

図１３に図示するＳＥＭ画像１３０３には、設計データに比べて、上層パターンと下層パターンがずれて形成された例が説明されている。図１４は、ＳＥＭ画像１３０３のエッジ成分を抽出したエッジ画像１４３０を示す図である。上層パターンのＳＥＭエッジ１４０１と下層パターンのＳＥＭエッジ１４０２が、エッジ画像１４０３上に表示されている。

次にこのように形成されているＳＥＭ像から抽出したエッジをレイヤー単位で分割する。上層パターンのＳＥＭエッジ１４０１を抽出した画像を図１５に、下層パターンのＳＥＭエッジ１４０２を抽出した画像を図１６に示す。

ＳＥＭ画像領域１３０３から抽出された上層パターンのＳＥＭエッジ１４０１と、上層パターンの設計データパターン５０１のそれぞれの中心座標を重ね合わせると図１７に図示する合成画像１７０３となった。両者はそれぞれの座標にずれが存在してしまうため、お互いのマッチング（位置合わせ）を行う必要がある。

本例では、その位置合わせ手法の一例として、比較対象となる２つのパターンの重心分布画像を形成し、重心分布画像のマッチングスコアが最大となる位置に基づいてマッチングを行う。

ここでは、ＳＥＭ画像の左下点を原点とし、図１８に説明するようにｘ，ｙ座標を定義したところ、上のレイヤーについては、回路設計データの線分をｘ方向に関して−８８.４ｎｍ、ｙ方向に関して−７６.２ｎｍずらす事で最適なマッチング位置となると求められた。

図１９に、求められたマッチング位置にて両線分を重ね合わせた図を示す。同様に、下のレイヤーについてマッチングを行った結果ｘ方向について−４.７ｎｍ、ｙ方向については＋２.５ｎｍとなった。図２０に求められたマッチング位置にて両線分を重ね合わせた図を示す。

このように、この評価箇所においては、上のレイヤーのマッチング位置と、下のレイヤーのマッチング位置が異なった。設計データにおける上層パターンと下層パターンの位置関係は理想値であり、上層パターンのＳＥＭエッジと下層パターンのＳＥＭエッジは理想値通りに形成されているわけではないので、回路設計データの線分の位置を、上層或いは下層いずれかのＳＥＭエッジに合わせると、他方がずれるという状態になる。

ｘ，ｙ両方向について上のレイヤーと下のレイヤーの重ね合わせずれは上記マッチング結果の差を取ることにより求められ、ｘ方向の重ね合わせずれは、（−８８.４ｎｍ）−（−４.７ｎｍ）＝−８３.７ｎｍ、ｙ方向の重ね合わせずれは、（−７６.２ｎｍ）−（＋２.５ｎｍ）＝−７８.７ｎｍと求められた。

本実施例においては、下のレイヤーの位置を基準とした重ね合わせずれを求めた。つまり、ＳＥＭ像においては下のレイヤーに対して、上記の値だけずれた状態にて上のレイヤーが重ね合わせられているということになる。

ここで、回路設計データによる線分に対して、上のレイヤーと下のレイヤーの間でこの重ね合わせずれの分だけずらしたテンプレート図形を作成した結果、図２１に図示するような結果となった。図形処理などの方法については、上述と同じ手法を用いた。このテンプレート図形とＳＥＭ像をマッチングさせると図２２のような結果となった。

次に、図４、図５、図６の評価箇所について同様の手法により重ね合わせずれの無いテンプレートを作成し、これに対応するＳＥＭ像を取得した。それぞれの評価箇所におけるテンプレート（左）とＳＥＭ像（右）を図２３、図２４、図２５に図示する。これらの評価箇所においては、ｘ，ｙいずれかもしくは両方の方向について線分が存在しないような場合があったので、重ね合わせずれを算出する意味があるかどうかの確認を行った。

上下両方のレイヤーの回路設計データにおいて、ｘ，ｙ両方向の線分について線分が存在する場合、以下の三つの条件のいずれかを満たす状態であるかを確認した。
（１）「その線分がデザインルールの２倍以上の長さであるか」、（２）「各方向について複数本の線分が存在するか」、（３）「ｘ方向線分であれば、異なるｙ座標を始点終点とする線分が、ｙ方向線分であれば異なるｘ座標を始点終点とする線分が存在するか」である。

ｘ，ｙそれぞれの方向について、上下両方のレイヤーにおける、回路設計データの線分とＳＥＭ像からの線分についてこれらの条件を満たすかどうかの確認を行った。また、回路設計データの上下どちらかのレイヤーにおいてｘ，ｙいずれかの方向の線分が存在しない場合は、その方向において基準を持ち得ないため重ね合わせずれを求めることはできないと判断した。

図２３の評価箇所においては、上のレイヤーについてはｙ方向の線分のみ、下のレイヤーについてはｘ方向の線分のみであるので、上記の条件を満足できないので重ね合わせずれを出力しなかった。

図２４の評価箇所においては、上のレイヤーについてはｘ，ｙ両方向の線分を持つが、ｘ方向の線分の長さはデザインルールである９０ｎｍの２倍である１８０ｎｍより短い長さであったため図２３の評価箇所と同様に、上記の条件を満足することはできず、重ね合わせずれを出力しなかった。

図２５の評価箇所においては、上のレイヤーについては、ｘ方向の線分としてはデザインルールの２倍より短い長さの線分が存在するが、２つの線分についてそれぞれのｙ座標が異なっている為、上記の条件を満足した。下のレイヤーにもデザインルールの２倍より長い線分が存在した。しかしながらｙ方向の線分については下のレイヤーについては存在しない。このような場合は重ね合わせずれとしてｘ方向についてのみ出力した。

本実施例で用いたウェハはデザインルールの２倍の長さを持つ線分条件としたが、ウェハの露光条件に応じて可変の値としてよい。また、これら以外の評価箇所においても上記の条件を用いて重ね合わせずれを出力すべきかどうかの判断を行い、それに応じて出力すればよい。

このように、上下二つのレイヤーから構成される回路設計データとＳＥＭ像において、二つのレイヤーの重ね合わせずれを算出し、上下それぞれのレイヤーを独立してマッチングを行うことで回路設計データ線分をＳＥＭ像の位置に合わせた状態で重ね合わせた画像を出力することができた。

走査電子顕微鏡の概略を説明する図。 本発明の一例を示すフローチャート。 設計データの一例を説明する図。 設計データの他の一例を説明する図。 設計データの他の一例を説明する図。 設計データの他の一例を説明する図。 下層の設計データパターンの一例を説明する図。 上層の設計データパターンの一例を説明する図。 上層と下層の設計データパターンの重合部を抽出した例を説明する図。 下層の設計データパターンから図９に説明する十号部を差し引いた例を説明する図。 上層の設計データパターンに図１０に説明するパターンを重ね合わせた例を説明する図。 図１１に説明する重ね合わせパターンから下層のパターンのみを抽出した例を説明する図。 ＳＥＭ画像の一例を説明する図。 ＳＥＭ画像からエッジ部分を抽出した例を説明する図。 上層パターンのＳＥＭエッジを説明する図。 下層パターンのＳＥＭエッジを説明する図。 設計データパターンとＳＥＭエッジを重ねた例を説明する図。 ｘ−ｙ座標の定義を説明する図。 設計データパターンとＳＥＭエッジ間でマッチングを行った例を示す図。 下層の設計データとＳＥＭエッジ間のマッチングを行った例を示す図。 重ね合わせずれの分だけずらしたテンプレートの例を説明する図。 テンプレート図形とＳＥＭ像をマッチングさせた例を説明する図。 テンプレートと対応するＳＥＭ画像の一例を説明する図。 テンプレートと対応するＳＥＭ画像の他の例を説明する図。 テンプレートと対応するＳＥＭ画像の他の例を説明する図。

符号の説明

３０１…荷電粒子源（電子銃）、３０２…荷電粒子線（電子ビーム）、３０３…走査コイル、３０４…試料、３０５…二次粒子、３０６…二次粒子検出系、３０７…制御系。

Claims (4)

1. 設計データの線分と、荷電粒子線像のエッジ間との距離を測長するパターンずれ測定方法において、
   上層パターンについて、設計データの線分と、荷電粒子線像のエッジ間の第１の距離を測定し、下層パターンについて、設計データの線分と、荷電粒子線像のエッジ間の第２の距離を測定し、前記第１の距離と第２の距離に基づいて、前記上層パターンと下層パターンの重ね合わせずれを検出することを特徴とするパターンずれ測定方法。
2. 電子源から放出される電子ビームを走査によって、試料から放出される電子に基づいて、前記試料上に形成されたパターンの寸法を測定する制御装置を備えたパターン測定装置において、
   前記制御装置は、上層パターンについて、設計データの線分と、荷電粒子線像のエッジ間の第１の距離を測定し、下層パターンについて、設計データの線分と、荷電粒子線像のエッジ間の第２の距離を測定し、前記第１の距離と第２の距離に基づいて、前記上層パターンと下層パターンの重ね合わせずれを検出することを特徴とするパターン測定装置。
3. 請求項２において、
   前記制御装置は、前記ＳＥＭエッジの上層パターンと、下層パターンを分割して、前記上層パターンと下層パターンの設計データとの距離を測定することを特徴とするパターン測定装置。
4. 請求項２において、
   前記制御装置は、前記設計データの上層パターンと下層パターンの重なり部分の前記下層配線の線分を除去したテンプレートを作成することを特徴とするパターン測定装置。
   

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