JP2009141124A - 電子ビーム測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
多重露光法により試料上に形成されたパターンの形状、寸法、または欠陥の有無等の検査を行う電子ビーム測定技術を提供する。
【解決手段】
多重露光法により形成された基板上のパターンに前記電子ビームを照射して取得した画像について、該複数の画像内のそれぞれのパターンの明るさまたはホワイトバンドの形状の差から、前記それぞれのパターンを露光履歴に応じた複数のグループに分類する手段を有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、試料上に形成されたパターンの形状、寸法、または欠陥の有無等の検査を行う電子ビーム測定技術に関する。
近年半導体素子は微細化が益々進んでおり、より高精度な寸法管理が求められている。半導体の微細化に伴いリソグラフィ工程で用いられる光源の波長も１層短くなっている。現在の最先端工場では短波長のＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）が用いられており、微細化を進めるためには更に短波長のＥＵＶリソグラフィ（波長１３ｎｍ）が候補となっている。しかし、ＥＵＶリソグラフィは波長が１桁以上短くなるために円滑な移行が可能か懸念されている。そこで、その代替案として多重露光法が提唱されている。
多重露光法の１例として、ダブルパターニング技術（例えば、特許文献１参照）のプロセスフローを、図１に示す。図１（ａ）に図示されるように、基板Ｗは、被加工層ＴＬ、被加工層ＴＬの上部のハードマスク層ＨＭ、及びハードマスク層ＨＭの上部の第１レジスト層ＲＬ１を備える。
第１の露光では、第１レジスト層ＲＬ１は、露光装置により第１露光パターンＥＰ１を形成し（図１（ｂ））、現像が行われる（図１（ｃ））。次に、ハードマスク層ＨＭがエッチングされて、図１（ｄ）で図示されるように第１のパターンがハードマスク層ＨＭに転写される。
続いて第２の露光を行うために、反射防止膜ＢＡＲＣが形成され、図１（ｅ）で図示されるように、第２レジスト層ＲＬ２が加えられる。第２の露光は、前記と同じ方法で実行され、対応するレチクルを用いて露光することにより第２レジスト層ＲＬ２に第２露光パターンＥＰ２が形成され（図１（ｅ））、現像が行われる（図１（ｆ））。第２露光パターンの位置を第１露光パターンの間に配置することで、解像力不足により同じレイヤーに一度の露光では作成できない微細パターンを同じレイヤーに形成することが可能となる。
次に、第２レジスト層ＲＬ２、反射防止膜ＢＡＲＣ、ハードマスク層ＨＭをマスクに被加工層ＴＬをエッチングし、さらに、さらに第２レジスト層ＲＬ２と反射防止膜ＢＡＲＣが剥離されると、図１（ｇ）に図示されるように、被加工層ＴＬの加工パターンが形成される。通常ハードマスク層ＨＭは除去されずに、ウエハ検査はこの時点で行われることになる。
SEMICONDUCTOR International 日本版、2007.4、pp. 22-26
従来、例えば、電子ビーム測長装置で寸法計測を行う場合、単一露光の試料のみを対象としていた。すなわち、多重露光のように高さ方向の形状が異なるパターンを持つ試料に対してはその計測手段は、未だ明らかとなっていない。
本発明は、かかる課題に着目してなされたものであり、多重露光法により製作された試料での電子ビームによる測定技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決する方法として、荷電ビーム走査により取得した画像内のそれぞれのパターンの明るさやホワイトバンドの差からそれぞれのパターンを露光履歴に応じた複数グループに分類する手段を持つことが有効である。更に、異なるグループに対しては異なる画像処理パラメータもしくは異なる波形処理パラメータを用いてパターンの寸法もしくはパターンの輪郭位置あるいは相対位置関係を求める手段を持つことが良い。
複数グループに分類する手段としては、取得した画像と設計データベースとの比較を行う手段も有効であり、また、パターンの寸法もしくはパターンの輪郭位置を求める手段としては、異なる参照画像もしくは異なる参照波形を用いる手段もある。また、画像取得そのものの条件を複数持ち、同じパターンでありながら異なる画像を取得して処理する手段をもつことも効果的である。
以下、本発明の代表的な構成例を列挙する。
（１）電子源から放出された電子ビームを、レンズおよび偏向器を用いて、試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記電子ビーム照射により前記試料から二次的に発生する荷電粒子を検出する検出器と、検出した前記荷電粒子による画像を作成する手段とを有し、前記画像情報から、前記試料上に形成されたパターンを検査する電子ビーム測定装置において、前記試料上のパターンは、多重露光法により基板上の同一レイヤーに形成されたものであり、前記試料上のパターンに前記電子ビームを照射して取得した画像について、該画像内のそれぞれのパターンの明るさまたはホワイトバンドの形状の差から、前記それぞれのパターンを露光履歴に応じた複数のグループに分類する手段を有し、分類された前記複数のグループそれぞれについて、異なる画像処理もしくは波形処理を行なうよう構成したことを特徴とする。
（２）前記構成の電子ビーム測定装置において、前記複数のグループの分類は、主に前記荷電粒子のうち２次電子からなる画像と、主に前記荷電粒子のうち反射電子からなる画像とを基に行うことを特徴とする。
（３）前記構成の電子ビーム測定装置において、前記複数のグループの分類は、取得した画像と設計データベースとの比較によりそれぞれのパターンを露光履歴に応じて行うことを特徴とする。
（４）前記構成の電子ビーム測定装置において、前記複数のグループの分類は、１つおきに存在するパターンを異なるグループに分類することを特徴とする。
（５）前記構成の電子ビーム測定装置において、前記分類された複数のグループのそれぞれについて、異なるグループに対しては異なる画像処理パラメータもしくは異なる波形処理パラメータを用いてパターンの寸法もしくはパターンの輪郭位置を求めることを特徴とする。
（６）前記構成の電子ビーム測定装置において、前記分類された複数のグループのそれぞれについて、異なるグループに対しては異なる参照画像もしくは異なる参照波形を用いてパターンの寸法もしくはパターンの輪郭位置を求めることを特徴とする。
（７）前記構成の電子ビーム測定装置において、分類された前記複数のグループ間の位置関係の情報を求めることを特徴とする。
（８）電子源から放出された電子ビームを、レンズおよび偏向器を用いて、試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記電子ビーム照射により前記試料から二次的に発生する荷電粒子を検出する検出器と、検出した前記荷電粒子による画像を作成する手段とを有し、前記画像情報から、前記試料上に形成されたパターンの検査を行う電子ビーム測定装置において、前記試料上のパターンは、多重露光法により基板上の同一レイヤーに形成されたものであり、前記試料上のパターンに前記電子ビームを照射して、領域がほとんど重なりあう複数の画像を異なる画像取得条件で取得し、前記複数の画像内のパターンを露光履歴に応じた複数グループに分類する手段を有することを特徴とする。
（９）前記構成の電子ビーム測定装置において、前記多重露光法は、ダブルパターニング技術によるものであることを特徴とする。
（１０）前記構成の電子ビーム測定装置において、検出した前記荷電粒子による画像は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像であることを特徴とする。
本発明によれば、多重露光法により試料上に形成されたパターンの形状、寸法、または欠陥の有無等の検査を行う電子ビーム測定技術を実現できる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施例１）
はじめに、本発明の基本的構成について説明する。
図２は、本発明に係る電子ビーム測定装置の基本的構成を示す。電子銃２０２から放出された電子ビームを、コンデンサレンズ２０３、偏向器２０４、および対物レンズ２０５を用いて、ステージ２０６に載置された試料（ウエハ）２０７上を照射し走査する電子光学系２０１と、電子線照射により試料２０７から二次的に発生する荷電粒子（２次電子、反射電子）の強度を検出する２次電子検出器２０８、反射電子検出器２１５と、検出した信号波形を処理し、種々の特性値を算出する演算部２０９と、オペレータが入力を行い、ＳＥＭ画像の表示をおこなうための表示部２１０と、データを格納する記憶部２１１と、電子線照射条件を電子光学系に反映し制御する電子光学系制御部２１２とで、構成されている。
なお、図１中の２１３は結果を記憶部に保存するなどのフローを示し、２１４は記憶部に保存されているデータを読み込むなどのフローを示す。
図３に、本発明による計測フローの基本的構成を示す。まず、測定すべき座標の値を取得し（ステップ３０１）、その座標位置での２次電子によるＳＥＭ画像を取得する（ステップ３０２）。取得した画像データを記憶部２１１に保存し（ステップ３０３）、得られた画像内のパターンを決められたルールに従って２つ（グループ１、グループ２）に分類する（ステップ３０３）。その後、決められたアルゴリズムに従い、各々のグループのパターンの寸法を算出する（ステップ３０５、３０６）。
算出した各々のパターン寸法が規定内に収まっているか否かを判定することにより、各々の露光工程が正しく行なわれているか判断できる。もし、規定外の寸法を示した分類があれば該当する露光工程のプロセス条件を見直すことになる。以上のように、本発明により多重露光でのプロセス管理が可能となる。
以下、本実施例について、図４を用いて説明する。
本実施例では、図１（ｇ）の状態の試料においてＳＥＭ画像を取得した。図９に、ＳＥＭ画像の模式図を示す。パターンはフラッシュメモリパターンの１部分である。第１露光でのハードマスク層（ＨＭ）９０１が残るパターンの方が、第２露光での被加工層（ＴＬ）９０２よりも、下地とのコントラストが大きくなっている。
従って、図３に示す分類する方法の一例として、パターンの明るさに応じて（ステップ４０１）、第１露光で形成されたパターンと第２露光で形成されたパターンの分類が可能となる。この結果、例えば、パターンに欠陥が生じた場合に、どちらの露光工程が問題であったか容易に判断が可能である。
更に、これらのパターンの寸法を求める際に寸法算出のアルゴリズムを変えることが可能となる。高さ方向に異なるパターンでは同じ寸法でもＳＥＭ像の見え方が異なるので、最適な測長を行なうためにはそれぞれにアルゴリズムを変えることは必須である。本実施例では、信号波形とスライスレベルの交点座標を用いて寸法を算出しているが、ハードマスク層ＨＭではスライスレベルを高く、被加工層ＴＬではスライスレベルを低くしている。このように本計測装置では複数のスライスレベルの入力が可能である。
また、本実施例では各層の複数本のライン幅の平均値をパターン寸法としたが、中心部
の１つのラインのみを用いても同様の管理が可能である。
パターンの分類方法には、この他、測長ＳＥＭで電子線を照射した際にパターンのエッジ部で検出される信号波形であるホワイトバンドの形状の差を用いることも有効である。また、寸法の算出法には参照波形法も用いることが出来る。この場合は参照波形を複数持つことになる。
本発明により、従来は第１露光層と第２露光層で３ｎｍ生じていた計測誤差を０.２ｎｍまで低減することが可能となった。また、測長再現性誤差も０.６ｎｍから０.３ｎｍへと半減することが出来た。
（実施例２）
図５に、本実施例での計測フローを示す。本フローでは、ＳＥＭ画像を取得した後に設計データとの比較を行うことでパターンの分類を行なっている（ステップ５０１）。但し、図９のようなラインとスペースが交互に並んでいるパターンでは１ピッチ異なって照合してしまう危険性があるために、本方法はパターン形状が複雑なロジックＬＳＩに適した方法といえる。ラインアンドスペースパターンの場合には、実施例１の明るさ分類との組み合わせが有効と考えられる。
本実施例では、それぞれのパターンの輪郭を検出し、その距離を評価することでホットスポット（欠陥の生じやすい箇所）の検査を行なった。この結果、従来と比較して検出感度を向上させることが出来た。
（実施例３）
図６に、本実施例での計測フローを示す。本実施例では、複数画像を用いている。取得した測定座標に試料を移動した後に異なる条件で２つのＳＥＭ画像を取得した（ステップ６０１、６０２）。第１の条件は観察領域内の走査の回数が８回であり、第２の条件は観察領域内のテレビ走査の回数が３２回である。条件を変えた理由は被加工層からの信号が弱いためであり、ＳＮを向上させるために１つ条件では走査回数を３２回としている。第２の条件の場合、ハードマスク層は信号が強くなりすぎるので検出信号が飽和してしまう。
従って、パターン分類を行なった後にハードマスク層は、第１の条件で得た画像、被加工層は第２の条件で得た画像を用いて寸法を求めた。この結果、測長再現性誤差を０.２５ｎｍにまで低減することが出来た。
（実施例４）
図７に、本実施例での計測フローを示す。本実施例でも、複数画像を用いている。本実施例にのみ、図１（ｆ）の試料を用いた。取得した測定座標に試料を移動した後に２つのＳＥＭ画像を取得した（ステップ７０１、７０２）。１つは２次電子を用いた画像であり、１つは反射電子を用いた画像である。図１（ｆ）では第２レジスト層ＲＬ２の観測は容易であるが、ハードマスク層ＨＭの観測は反射防止膜に覆われて容易ではない。
そこでハードマスク層の観測には試料からの脱出深さの深い反射電子を用いた。図１０に、各画像の模式図を示す。図１０の（ａ）に示す２次電子画像では第２レジスト層のＲＬ２像が、図１０の（ｂ）に示す反射電子画像では第２レジスト層ＲＬ２、ハードマスク層ＨＭの両者の像が観測されている。本手法では、２つの画像は同時に取得可能であるためスループットを低下させることはなく、このことが大きな利点となっている。また、２つの画像からパターンの分類は容易である。第２レジスト層はコントラストの高い２次電子画像を、ハードマスク層はコントラストのある反射電子画像を用いて寸法を求めた。
この結果、従来計測不可能であった図１（ｆ）の試料を測長再現性誤差０.５ｎｍで計測することが出来た。また、図１（ｆ）であれば、まだ被加工層のエッチングを行なっておらず、露光からやり直すことで試料の再生が容易である。
（実施例５）
図８に、本実施例での計測フローを示す。これまでの実施例と異なるところは、グループ分類の後にグループ間の位置関係を検出することにある（ステップ８０１）。ここで、グループ間の位置関係とは、２回の露光間の重ね合わせ誤差に相当する量である。具体的には、Ｘ方向の位置関係はＹ方向に伸びるパターンの輪郭線の中心線位置から、Ｙ方向の位置関係はＸ方向に伸びるパターンの輪郭線の中心線位置から求めた。２回の露光間の重ね合わせ誤差はパターンのスペースの距離や、多重露光法の種類ではパターンの寸法を定めるために、その評価は非常に重要である。これは、これまでの検査では行なわれていないもので、これを実行するためには装置によるパターンの自動分類は必須である。
本実施例では、明るさによるパターン分類から、パターン輪郭抽出を行なった後に、重ね合わせの誤差量を求めた。誤差が大きな場合に露光工程にフィードバックをかけることで半導体生産の歩留まり向上に寄与した。
以上、述べてきた実施例では、電子ビームによる走査電子顕微鏡を例に本発明を説明したが、本発明の基本的な考え方は、これに限らず、他の荷電粒子線、例えばイオンビームを用いた顕微鏡等に対しても適用可能である。
以上のように、本発明によれば、多重露光のように高さ方向の形状が異なるパターンを持つ試料に対しても、それぞれの露光パターンに対して精度良く寸法や位置関係を計測することが可能であり、リソグラフィやエッチング工程の管理を円滑に行なうことが出来る。
多重露光法のプロセスフローの一例を説明する図。 本発明に係る電子ビーム測定装置の基本的構成を説明する図。 本発明による計測フローの基本的構成を説明する図。 本発明の実施例１に用いられる計測フローを説明する図。 本発明の実施例２に用いられる計測フローを説明する図。 本発明の実施例３に用いられる計測フローを説明する図。 本発明の実施例４に用いられる計測フローを説明する図。 本発明の実施例５に用いられる計測フローを説明する図。 ＳＥＭ画像の例を示す図。 （ａ）は２次電子画像の例、（ｂ）は反射電子画像の例を示す図。
符号の説明
ＲＬ１…第１レジスト層、ＨＭ…ハードマスク層、ＴＬ…被加工層、Ｗ…基板、ＥＰ１…第１露光パターン、ＥＰ２…第２露光パターン、ＲＬ２…第２レジスト層、ＢＡＲＣ… 反射防止膜、２０１…電子光学系、２０２…電子銃、２０３…コンデンサレンズ、２０４…偏向器、２０５…対物レンズ、２０６…ステージ、２０７…試料、２０８…２次電子検出器、２０９…演算装置、２１０…表示部、２１１…記憶部、２１２…電子光学系制御部、２１３…記憶部にデータを保存するなどのフロー、２１４…記憶部からデータを読み込むなどのフロー、２０…ネットワークシステムにおけるデータベース、３０１…測定座標取得、３０２…ＳＥＭ画像取得、３０３…画像データ保存、３０４…グループ分類、３０５…グループ１の測長、３０６…グループ２の測長、４０１…明るさ分類、５０１…設計データとの比較、６０１…条件１でのＳＥＭ画像取得、６０２…条件２でのＳＥＭ画像取得、７０１…２次電子画像取得、７０２…反射電子画像取得、８０１…グループ間位置関係の算出。

Claims (10)

  1. 電子源から放出された電子ビームを、レンズおよび偏向器を用いて、試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記電子ビーム照射により前記試料から二次的に発生する荷電粒子を検出する検出器と、検出した前記荷電粒子による画像を作成する手段とを有し、前記画像情報から、前記試料上に形成されたパターンを検査する電子ビーム測定装置において、
    前記試料上のパターンは、多重露光法により基板上の同一レイヤーに形成されたものであり、
    前記試料上のパターンに前記電子ビームを照射して取得した画像について、該画像内のそれぞれのパターンの明るさまたはホワイトバンドの形状の差から、前記それぞれのパターンを露光履歴に応じた複数のグループに分類する手段を有することを特徴とする電子ビーム測定装置。
  2. 請求項１に記載の電子ビーム測定装置において、前記複数のグループの分類は、主に前記荷電粒子のうち２次電子からなる画像と、主に前記荷電粒子のうち反射電子からなる画像とを基に行うことを特徴とする電子ビーム測定装置。
  3. 請求項１に記載の電子ビーム測定装置において、前記複数のグループの分類は、取得した画像と設計データベースとの比較によりそれぞれのパターンを露光履歴に応じて行うことを特徴とする電子ビーム測定装置。
  4. 請求項１に記載の電子ビーム測定装置において、前記複数のグループの分類は、１つおきに存在するパターンを異なるグループに分類することを特徴とする電子ビーム測定装置。
  5. 請求項１に記載の電子ビーム測定装置において、前記分類された複数のグループのそれぞれについて、異なるグループに対しては異なる画像処理パラメータもしくは異なる波形処理パラメータを用いてパターンの寸法もしくはパターンの輪郭位置を求めることを特徴とする電子ビーム測定装置。
  6. 請求項１に記載の電子ビーム測定装置において、前記分類された複数のグループのそれぞれについて、異なるグループに対しては異なる参照画像もしくは異なる参照波形を用いてパターンの寸法もしくはパターンの輪郭位置を求めることを特徴とする電子ビーム測定装置。
  7. 請求項１に記載の電子ビーム測定装置において、分類された前記複数のグループ間の位置関係の情報を求めることを特徴とする電子ビーム測定装置。
  8. 電子源から放出された電子ビームを、レンズおよび偏向器を用いて、試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記電子ビーム照射により前記試料から二次的に発生する荷電粒子を検出する検出器と、検出した前記荷電粒子による画像を作成する手段とを有し、前記画像情報から、前記試料上に形成されたパターンの検査を行う電子ビーム測定装置において、
    前記試料上のパターンは、多重露光法により基板上の同一レイヤーに形成されたものであり、
    前記試料上のパターンに前記電子ビームを照射して、領域がほとんど重なりあう複数の画像を異なる画像取得条件で取得し、前記複数の画像内のパターンを露光履歴に応じた複数グループに分類する手段を有し、
    異なるグループに対しては異なる画像取得条件で取得した画像を用いてパターンの寸法もしくはパターンの輪郭位置を求めるよう構成したことを特徴とする電子ビーム測定装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電子ビーム測定装置において、前記試料上のパターンは、ダブルパターニング技術により形成されたものであることを特徴とする電子ビーム測定装置。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電子ビーム測定装置において、検出した前記荷電粒子による画像は、走査電子顕微鏡像であることを特徴とする電子ビーム測定装置。
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