JP2011133226A - 基準データの生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レジストパターンやエッチング後及び再エッチング後のパターンに関わらず、基準データを用いてＡＰＭ−ＰＥＲ検査法による線幅の検査を行うための基準データの生成方法を提供する。
【解決手段】ＡＰＭ−ＰＥＲ検査法による表面検査装置１００で用いられる基準データの生成方法であって、第１のエッチング工程（第１の工程）により異なる線幅の繰り返しパターンの組が形成された基準用ウエハ１０を複数作成し、さらに、この基準用ウエハ１０に対して異なる条件で第２のエッチング工程（第２の工程）を行い、それぞれの状態の基準用ウエハ１０から較正曲線を求め、これらの較正曲線が同一の曲線上にほぼ一致するエリアを検査対象座標として求める。
【選択図】図３

Description

本発明は、基準データの生成方法に関する。

半導体ウエハの表面に形成されたパターンの良否を判定する手法として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた観察により、断面形状を計測する方法が種々提案されてきている。ＳＥＭによる断面形状の計測は、被検査基板（試料）上のパターンに照射した電子線を、このパターンの断面方向に走査し、パターンからの反射電子や二次電子を検出、解析して、走査した部分の断面形状を求める方法で行われる。上記の操作をパターン上の何点かで行い、パターン全体の形状の良否を判定する。また、パターンの良否を判定するその他の方法として、スキャトロメータによるＣＤ及びオーバーレイのインライン測定技術がある。

分光スキャトロメータは、波長の関数として固定角度にて散乱光の特性を測定し、通常はキセノン、重水素、またはキセノンアーク灯のようなハロゲン系光源である広帯域光源を使用する。固定角度は、垂直入射か斜め入射でよい。角度分解スキャトロメータは、入射角の関数として固定波長にて散乱光の特性を測定し、通常は単一波長の光源としてレーザーを使用する。

ＳＥＭによる計測方法は、パターン上に電子線を照射して走査する作業を何回も繰り返し行うため、パターンの形状を求めるのに膨大な時間を要してしまう。また観察倍率が高いため、上述のように、ウエハ上の全てのパターン形状を求めるのは困難であり、何点かをサンプリングしてウエハ全体の良否を判定する。その結果、サンプリングされたパターン以外の部分に欠陥があっても見逃されてしまう。また、レジストパターンでは、電子線を照射すると加速電圧によって電子線がレジストに吸収、チャージされてパターンの目減りが起こる。場合によっては放電が発生してパターンが倒れてしまい、その後の工程で不都合が生じるため、加速電圧や観察倍率を色々と変えながら最適な観察条件をも求める。それ故、更に計測に時間を要する。

角度分解スキャトロメータ技術の問題は、１回に１つの波長しか検出しないことであり、したがって複数の波長があるスペクトルは、その波長を時間分割多重化して検出しなければならず、スペクトルの検出および処理に時間を要し、全取得時間が増加してしまう。また、分光スキャトロメータでは、小さい格子を入射角の小さい広がりで照明しなければならないので、この拡張光源からの光量が無駄になる。その結果、検出器上の光のレベルが低くなって、取得時間が長くなり、スループットにマイナスの影響を及ぼす。短い取得時間を選択すると、測定結果が安定しないことがある。

このような事情に鑑みて、微細パターンの線幅変化を構造性複屈折量変化として検出するために、直線偏光で微細パターンを集光照明し、この微細パターンによって楕円偏光化した反射光がクロスニコル状態になっている検光子を通過する光量変化を瞳像を用いて計測する方式（ＡＰＭ−ＰＥＲ検査法）が提案されており、レジストパターンやエッチング後のパターンに関わらず、被検査基板上のパターン形状の良否を短時間で判定することができる。この方法によれば、線幅と階調値との関係を検出することが可能である。つまり、計測された階調値により基準データを参照し、線幅換算値を決定できる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００８／０１５９７３号

ところで、半導体ウエハにパターンを形成する手法として、ダブル・パターニングという方法がある。このダブルパターニングとは、１つの回路パターンを、現行の露光機で転写できる２つの密集度の低いパターンに分割して露光する技術であって、２つのパターンを組み合わせて、最終的に密集度を高めたパターンを形成するものである。、このようなダブルパターニングを実現する方法としては、大きく分けてスペーサー方式とＬＥＬＥ（Litho-Etch-Litho-Etch）方式の２つが挙げられる。例えばスペーサー方式の場合、図５に示すように、まず、スパッタ工程により下地層１０ａと成膜層１０ｂとが形成されたウエハ１０の表面にレジストを塗布し、レチクルを介してパターンの露光及び現像を行う（図５（ａ））。次に、第１回目のエッチングを行い、成膜層１０ｂのうちレジスト１０ｃが塗布されていない部分を除去し（図５（ｂ））、さらに、レジストを除去する（図５（ｃ））。そして、このようにして形成されたパターンに対して再度、第２回目のエッチングすることにより、より細い線幅のパターンを形成することができる（図５（ｄ））。

ここで、最終的に目的の線幅のパターンを得るためには、第１回目のエッチングにおける線幅に合わせて、第２回目のエッチングの条件（温度や時間等）を変化させる必要がある。すると、基端側の線幅（下地層１０ａと成膜層１０ｂとの境界部分の線幅）は同じでも、高さや表面側の線幅が異なる場合が発生する。そのため、このようなダブルパターニングの方法で、露光後のレジスト線幅や、エッチング後及び再エッチング後の線幅を上述のＡＰＭ−ＰＥＲ検査法により検査する場合には、それぞれの工程に応じて基準データを切り替えなければならず、検査の効率が悪くなるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、レジストパターンやエッチング後及び再エッチング後のパターンに関わらず、共通してＡＰＭ−ＰＥＲ検査法による線幅の検査を行うことができる基準データの生成方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る基準データの生成方法は、偏光子及び対物レンズを含み、この偏光子及び対物レンズを介して試料の表面に形成された繰り返しパターンを光源から射出された光により照明する照明光学系と、この照明による試料の表面からの反射光を、対物レンズを介して集光し、さらに、偏光子とクロスニコル条件を満たすように配置された検光子を通過させて対物レンズの瞳像を結像する検出光学系と、この検出光学系により結像された瞳像を検出する撮像素子と、瞳像内の検査対象座標、及び、この検査対象座標における階調値と線幅との対応を示す較正曲線からなる基準データを記憶する記憶部と、撮像素子で検出された瞳像、及び、記憶部に記憶された基準データから繰り返しパターンの線幅を決定する検出部と、を有する表面検査装置の基準データの生成方法であって、複数の工程により繰り返しパターンが形成される２つ以上の試料において、試料上の複数の領域内に各領域間で線幅が異なる繰り返しパターンを第１の工程により形成するステップと、第１の工程で形成された繰り返しパターンの各々の線幅を測定するステップと、表面検査装置により、第１の工程で形成された繰り返しパターンの各々の瞳像を取得するステップと、２以上の試料の各々に対して、試料毎に互いに異なる処理条件の第２の工程により繰り返しパターンを処理するステップと、第２の工程で処理された繰り返しパターンの各々の線幅を測定するステップと、表面検査装置により、第２の工程で処理された繰り返しパターンの各々の瞳像を取得するステップと、これらの瞳像の各々を複数のエリアに分割し、このエリア毎に階調値を求めるステップと、エリア毎に、第１の工程及び処理条件が異なる第２の工程の各々の較正曲線を求め、エリア内の較正曲線の全てが１つの曲線とほぼ重なるエリアを抽出し、抽出された当該エリア及び当該エリアの較正曲線を基準データとして選択するステップと、を有する。

本発明に係る基準データの生成方法を以上のように構成すると、レジストパターンやエッチング後及び再エッチング後のパターンに関わらず、ＡＰＭ−ＰＥＲ検査法による線幅の検査を共通の基準データを用いて行うことができる。

表面検査装置の構成を示す説明図である。 瞳像を複数のエリアに分割した場合を示す説明図である。 検査対象エリア及び較正曲線を求めるための処理を示すフローチャートである。 エリア毎に求めた較正曲線であって、（ａ）は緑色光で照明した場合を示し、（ｂ）は青色光で照明した場合を示す。 ダブルパターニングによるパターン形成方法を示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１に示す表面検査装置１００は、光源１（例えば、白色ＬＥＤやハロゲンランプなど）と、ステージ１１上に載置された試料であるウエハ１０に光源１から放射された照明光を照射する照明光学系２１と、ウエハ１０で反射された反射光を集光する検出光学系２２と、この検出光学系２２で集光された像を検出する第１撮像素子１７及び第２撮像素子１８と、を有して構成される。

照明光学系２１は、光源１側から順に、コンデンサーレンズ２、干渉フィルタを含む照度均一化ユニット３、開口絞り４、第１視野絞り５、リレーレンズ６、偏光子７、ハーフミラー８、及び、対物レンズ９を有し、光軸上にこの順で並んで配置されている。この照明光学系２１において、光源１から放射された照明光は、コンデンサーレンズ２、及び照度均一化ユニット３を介して、開口絞り４、第１視野絞り５を経て、リレーレンズ６によってコリメートされる。そして、コリメートされた光は、偏光子７を経て、ハーフミラー８により反射された後、対物レンズ９を介してステージ１１上に載置されたウエハ１０に導かれる。なお、開口絞り４及び対物レンズ９の瞳面は、リレーレンズ６を挟んで、それぞれこのリレーレンズ６の焦点距離の略２倍の位置に配置されている。そのため、開口絞り４の開口部の像が対物レンズ９の瞳面上若しくはその近傍に結像され、更に、対物レンズ９で集光されてウエハ１０に照射される。すなわち、開口絞り４と対物レンズ９の瞳面とは共役関係になっている。また、この照明光学系２１の光軸は、検出光学系２２の光軸と略一致するように配置され、ウエハ１０を同軸落射照明するように構成されている。ここで、ステージ１１は、この同軸落射照明の光軸をｚ軸とし、ｚ軸に垂直な面内においてこのｚ軸を通りそれぞれ直交する軸をｘ軸，ｙ軸とすると、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に移動可能で、かつ、ｚ軸と平行な軸の回りに回転可能に構成されている。そして、偏光子７は、紙面と垂直方向（ｘ軸方向）に振動する直線偏光を出射するように設定されている。

検出光学系２２は、ハーフミラー８及び対物レンズ９を照明光学系２１と共用し、ウエハ１０側から順に、対物レンズ９、ハーフミラー８、検光子１２、第１結像レンズ１３、ハーフプリズム１４、第２結像レンズ１５、及び、第２視野絞り１６を有し、光軸上にこの順で並んで配置されている。ここで、ウエハ１０に同軸落射照明された光は、このウエハ１０で反射され、再び対物レンズ９に戻り、ハーフミラー８を透過し、更に検光子１２を透過して第１結像レンズ１３で集光され、ハーフプリズム１４に入射する。ハーフプリズム１４は一部の光を透過し残りの光を反射するものであり、このハーフプリズム１４で反射した光は、第２撮像素子１８にウエハ１０の像を結像する。そして、ハーフプリズム１４を透過した光は、更に、第２結像レンズ１５で集光され、第２視野絞り１６にウエハ１０の像を結像し、第１撮像素子１７に対物レンズ９の瞳像を結像させる。

この検出光学系２２において、第１撮像素子１７は、対物レンズ９の瞳面の像（瞳像）を検出する位置、すなわち、対物レンズ９の瞳面と共役な位置に配置されており、また、第２撮像素子１８は、ウエハ１０の像を検出する位置、すなわち、ウエハ１０の表面（試料面）と共役な位置に配置されている。また、第２視野絞り１６は、ウエハ１０の表面と共役な位置に配置されている。そして、第１撮像素子１７側に配置された着脱可能な照明部（不図示）によって第２視野絞り１６を照明することで、ウエハ１０から反射してくる第２視野絞り１６の像を、第２撮像素子１８の撮像位置に換算する。この第１及び第２撮像素子１７，１８で検出された対物レンズ９の瞳面及びウエハ１０の像は、それぞれ検出部２３を介して、表示部１９で観察できる。従って、第２撮像素子１８により検出した像を、表示部１９を介して観察すると、ウエハ１０上のどの位置に照明光が照射されているかを確認することができる。なお、検出部２３には、後述するデータベースを記憶する記憶部２４が接続されている。

このような表面検査装置１００において、開口絞り４及び第１視野絞り５の開口部は、それぞれ、その形状（特に、光軸とこの開口部とを結ぶ直線方向の径の大きさ）及び光軸（図面上では、模式的に２点鎖線で示している）に直交する面内での位置を変化させることが可能な構造となっている。そのため、開口絞り４の開口部の形状及び位置を変化させると、ウエハ１０に照射される照明光の開口角が変化し、また、第１視野絞り５の開口部の形状及び位置を変化させると、ウエハ１０の表面に照射される照明領域の大きさ（照明の範囲）を変化させることができる。また、第２視野絞り１６は、光軸（ｚ軸）に対して、ｘ，ｙ軸方向に移動可能な開口形状を有する。

この欠陥検査装置１００において、ウエハ１０の表面（試料面）に対して照明光が照射される位置は、ステージ１１をｘｙ軸方向に移動させて調整し、照明光が照射される角度は、上述のように開口絞り４及び第１視野絞り５の開口部の位置及び大きさを調整し、検査対象であるウエハ１０に形成された繰り返し（検査）パターンの周期方向に対して照射される方向（繰り返しパターンに対する照明光の方位角）はステージ１１を回転させて調整する。また、対物レンズ９の焦点上にウエハ１０の試料面を移動させるときは、ステージ１１をｚ軸方向に移動させて調整する。さらに、照明光の波長域は、照度均一化ユニット３の干渉フィルタにより調整する。

また、偏光子７と検光子１２とは、クロスニコル条件を満足するように設定されている。このため、ウエハ１０の繰り返しパターンにより、偏光主軸が回転しない限り、観測される光量が０に近くなる。更に、この実施の形態においては、開口絞り４により、照明σ（照明のＮＡ／対物レンズのＮＡ）が可変とされている。よって、適当な明るさでウエハ１０を照明することができる。

具体的な欠陥の検出方法としては、まず、予めＳＥＭ等を用いてパターンの線幅が既知である基準となるウエハを、この表面検査装置１００を用いて観察し、その瞳像（基準像）の画素毎の階調値（瞳像における輝度値は、複数段の階調値（デジタル量）として検出されるため、「階調値」と呼ぶ）を取得し、例えば、記憶部２４に記憶しておく。さらに、図２に示すように、この瞳像Ｐを複数のエリアに分割し（例えば、図２の場合は４５×４５のエリアに分割したときの瞳像Ｐの一部を示している）、エリア毎に階調値を算出し（例えば、各エリアに含まれる画素の階調値の平均値を求める）、この階調値と線幅との相関係数を算出する。そして、最も相関の高いエリアを決定し、そのエリアの位置（例えば、図２に示すように瞳像上の座標（Ｘ，Ｙ））、及び、線幅と階調値との関係（これを「較正曲線」と呼ぶ）からなる基準データを記憶部２４に記憶する（このエリア（座標）を「検査対象座標」と呼ぶ）。次に、検査対象のウエハの瞳像（検出像）を表面検査装置１００を用いて取得し、この瞳像のうち、上述の基準データに設定したエリア（検査対象座標）の階調値を抽出し、この基準データに設定されている較正曲線を読み出して、この較正曲線から検出像の検査対象座標における階調値に対応する線幅を求め、さらに、この線幅から検査対象の試料の欠陥の有無を判定する（例えば、線幅が所定の範囲内にあれば正常と判断し、その範囲を超えていれば欠陥と判断する）。このような方式で欠陥検査をすることにより、検査対象のウエハ１０の線幅の数値管理を行うことが可能となる。ここで、これらの処理は、検出部２３により実行される。

なお、このような欠陥の検出方法として、対物レンズ９の瞳面の像を用いているのは、単なるウエハ面の画像では、繰り返しパターンのピッチが検査装置分解能以下となり、欠陥があっても光学的に検出できないからである。又、第２視野絞り１６が、開口の位置や形状が可変なものとしているのは、ウエハ１０の適当な位置の適当な大きさの領域の情報を検出可能とするためである。

ところで、上述のスペーサー方式によるダブル・パターンニングでは、露光後のレジスト線幅や、エッチング後及び再エッチング後の線幅管理が必要になる。これらの測定において、それぞれの瞳像について、同じ検査対象座標で、且つ、同じ較正曲線を用いて線幅の決定ができると、作業効率が向上し、また、記憶部２４の領域も小さくすることができる。そこで、共通の基準データ（検査対象座標及び較正曲線）を求めるための方法について、図３を用いて以下に説明する。

まず、第１のエッチング工程（第１の工程）により、ウエハ上の複数の領域内にそれぞれ形成された繰り返しパターンの線幅が各領域間で異なるようにパターンが形成された基準用ウエハ１０を複数枚用意する（ステップＳ１００）。このとき、各繰り返しパターンの線幅を、例えばＳＥＭ等を用いて計測し、その情報を記憶しておくとともに、全ての繰り返しパターンが予め決められた線幅を有していることを確認する。また、複数のウエハ１０は互いに繰り返しパターンの構成は同じであることを確認する（ステップＳ１１０）。そして、この第１のエッチング工程を経たウエハ１０の各繰り返しパターンの瞳像を表面検査装置１００により測定し、記憶部２４に記憶する（ステップＳ１２０）。このとき、全てのウエハ１０の測定をして平均値を算出しても良いし、いずれか一枚を代表として測定しても良い。

次に、これらの基準用ウエハ１０に対して第２のエッチング工程（第２の工程）を行うが、このとき、それぞれのウエハ１０で（ウエハ毎に）エッチングの条件を変化させる（ステップＳ１３０）。そして、第２のエッチング工程を経たウエハ１０のそれぞれに形成された各繰り返しパターンの線幅をＳＥＭ等を用いて計測し、その情報を記憶しておく（ステップＳ１４０）。さらに、これらの基準用ウエハ１０の各々の瞳像を、このウエハ１０に形成された繰り返しパターンの全てに対して表面検査装置１００により測定し、記憶部２４に記憶する（ステップＳ１５０）。なお、以上の計測において、表面検査装置１００により瞳像を取得する際に、光源１から放射される照明光の波長を変えて計測しておくと、較正曲線の決定に対して照明光の波長の違いを反映させることができる。また、これらの処理も、検出部２３により実行される。

以上より、第１のエッチング工程後の基準用ウエハ１０の瞳像、及び、第２のエッチング工程後のそれぞれのエッチング条件による基準用ウエハ１０の全ての繰り返しパターンに対する瞳像のそれぞれに対して、図２に示すように複数のエリアに分割し、エリア毎の階調値を求める（ステップＳ１６０）。さらに、このエリア毎に、上述のステップＳ１１０及びステップＳ１４０で求めた線幅と、上述のステップＳ１６０で求めた階調値とから、図４に示すような較正曲線を求めて比較を行い、全ての曲線（第１のエッチング後及び処理条件を変えた第２のエッチング後の較正曲線）が一つの曲線上にほぼ重なるエリア（座標）を決定し、そのエリア（検査対象座標）及び較正曲線（重なった一本の曲線）を記憶部２４に記憶する（ステップＳ１７０）。なお、照明光の波長を変えて測定したときは、どの波長においても較正曲線が略一致するエリアを選択すると、照明光の波長に関わらず、同一の検査対象座標で同一の較正曲線を用いて検査が行え作業効率が向上するが、それぞれの波長毎に較正曲線が一致するエリアを選択して、波長とともに記憶部２４に記憶するように構成することも可能である。

なお、図４は、緑色光及び青色光により照明したときの、エリア（Ｘ，Ｙ）のうち、（９，９）、（１３，１５）及び（１３，３７）のエリアにおける較正曲線（横軸を線幅とし、縦軸を階調値としたときの曲線）であって、それぞれのエリアにおいて、第１のエッチング後（図４においては「１ｓｔ」と表示する）と４つの条件による第２のエッチング後（図４においては「２ｎｄ＿Ａ〜Ｄ」と表示する）とを示している。また、基準用ウエハ１０には、各領域間で線幅が異なる６つの繰り返しパターンを形成した場合を示している。この図４において、瞳内のエリア（９，９）では、緑色光に対しても青色光に対しても、第１のエッチング後及び第２のエッチング後では較正曲線が異なる。また、エリア（１３，３７）では、緑色光に対しては較正曲線はほぼ一致するが線幅検出感度がなく、青色光に対しては、第１のエッチング後の線幅検出感度がなく、第２のエッチング後では較正曲線が異なっている。一方、エリア（１３，１５）では、緑色光に対しても青色光に対しても較正曲線が略一致しており、このエリア（１３，１５）を検査対象座標選択すれば、第１のエッチング後及び第２のエッチング後において一つの較正曲線で繰り返しパターンの線幅管理が可能となる。

このように、第１のエッチング工程により異なる線幅の繰り返しパターンの組が形成された基準用ウエハを複数作成し、さらに、複数の基準用ウエハに対してウエハ毎に異なる条件で第２のエッチング工程を行うことで、半導体の製造工程に関わらず共通に使用できる瞳像内の検査対象座標（エリア）及び較正曲線を含む基準データを得ることができ、この表面検査装置１００によるウエハ１０の検査を効率的に行うことができる。なお、以上の説明では、第１のエッチング工程後及び第２のエッチング工程後のウエハ１０で共通に使える検査対象座標及び較正曲線を求める処理について説明したが、レジスト後の線幅にも同様の方法により対応することができる。

１ 光源 ７ 偏光子 ９ 対物レンズ １２ 検光子
１７ 第１の撮像素子 ２１ 照明光学系 ２２ 検出光学系
２３ 検出部 ２４ 記憶部 １００ 表面検査装置

Claims (1)

1. 偏光子及び対物レンズを含み、前記偏光子及び前記対物レンズを介して試料の表面に形成された繰り返しパターンを光源から射出された光により照明する照明光学系と、
   前記照明による前記試料の前記表面からの反射光を、前記対物レンズを介して集光し、さらに、前記偏光子とクロスニコル条件を満たすように配置された検光子を通過させて前記対物レンズの瞳像を結像する検出光学系と、
   前記検出光学系により結像された前記瞳像を検出する撮像素子と、
   前記瞳像内の検査対象座標、及び、前記検査対象座標における階調値と線幅との対応を示す較正曲線からなる基準データを記憶する記憶部と、
   前記撮像素子で検出された前記瞳像、及び、前記記憶部に記憶された前記基準データから前記繰り返しパターンの前記線幅を決定する検出部と、を有する表面検査装置の前記基準データの生成方法であって、
   複数の工程により前記繰り返しパターンが形成される２つ以上の前記試料において、
   前記試料上の複数の領域内に各領域間で線幅が異なる繰り返しパターンを第１の工程により形成するステップと、
   前記第１の工程で形成された前記繰り返しパターンの各々の前記線幅を測定するステップと、
   前記表面検査装置により、前記第１の工程で形成された前記繰り返しパターンの各々の前記瞳像を取得するステップと、
   前記２以上の試料の各々に対して、試料毎に互いに異なる処理条件の第２の工程により繰り返しパターンを処理するステップと、
   前記第２の工程で処理された前記繰り返しパターンの各々の前記線幅を測定するステップと、
   前記表面検査装置により、前記第２の工程で処理された前記繰り返しパターンの各々の前記瞳像を取得するステップと、
   前記瞳像の各々を複数のエリアに分割し、前記エリア毎に前記階調値を求めるステップと、
   前記エリア毎に、前記第１の工程及び処理条件が異なる前記第２の工程の各々の前記較正曲線を求め、前記エリア内の前記較正曲線の全てが１つの曲線とほぼ重なる前記エリアを抽出し、抽出された当該エリア及び当該エリアの前記較正曲線を前記基準データとして選択するステップと、を有する基準データの生成方法。