JP2011203061A - パターン計測方法およびパターン計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周期的構造パターンに電磁波を照射してパターン形状を計測する場合に、計測時間を増大させることなく、高精度に計測することが可能なパターン計測方法およびパターン計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】複数のパターンが周期的に配列して構成され、かつ、各パターンが部分的に重なる周期的構造パターンに対して、異なる複数の入射方向から電磁波を照射する照射工程と、周期的構造パターンにより散乱される電磁波を検出して、その散乱プロファイルを検出する検出工程と、検出された散乱プロファイルから周期的構造パターンのパターン形状を計測する計測工程と、を含み、照射工程では、異なる複数の入射方向は、周期的構造パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない入射方向である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パターン計測方法およびパターン計測装置に関する。

半導体集積回路は、高性能化の達成のために、回路パターンの微細化が進行している。回路パターンの微細化に伴って、回路パターンの計測に要求される精度は厳しさを増している。従来の半導体プロセスでは、周期的構造を構成する単位構造体について、主にパターンの幅（ＣＤ）や高さ（ＨＴ）など、比較的大まかな寸法が管理の対象とされてきた。その一方で、回路パターンの微細化が進行するに従って、側壁角（ＳＷＡ）、トップラウンディングと呼ばれる単位構造体上部の丸み、ボトムラウンディングと呼ばれる単位構造体下部の丸みなど、形状の詳細な寸法についても厳密に計測する必要が生じている。

構造体の断面形状を精密に観察するものとして、例えば、走査型電子顕微鏡（断面ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、スキャトロメトリ、ＣＤ−ＳＡＸＳ（Critical Dimension Small Angle X-ray Scatting）が知られている。これらのうち、ＣＤ−ＳＡＸＳは、非破壊及び非接触で、微細形状に対する良好な感度を得られる観点から、微細な回路パターンの計測に適しているといえる。

かかるＣＤ−ＳＡＸＳは、Ｘ線小角散乱を利用した表面形状の計測方法であり、Ｘ線を０．４°以下の仰角でパターンに照射し、仰角方向および方位角方向における散乱Ｘ線による干渉パターンから形状を再構築する手法である。

ＣＤ−ＳＡＸＳでの計測からは、Ｘ線の入射方向に対して垂直な面の断面形状が得られる。断面形状はパターン断面の輪郭部分を意味しており、パターン寸法、高さ、側壁角、トップラウンディング、およびボトムラウンディングの形状パラメータよって表わされる関数である。

ここで、パターン形状が真円の場合、一般的に、一方向、またはＸ方向およびＹ方向の計測が必要となる。パターンの形状が楕円の場合、楕円の長径および短径の２方向の計測が必要となるため、Ｘ線の入射方向をコンタクト径に対して異なる複数の方位角から行い、コンタクト径を算出する必要がある。楕円パターンの配置がＸ方向およびＹ方向に部分的に重なりなく整列している場合は、Ｘ線をＸ方向およびＹ方向の計測によって、パターン形状の計測が可能である。

しかしながら、パターン同士が部分的に重なる千鳥配置の場合は、Ｘ方向およびＹ方向の計測では、正確なパターン形状の計測ができないという問題がある。ここで、全周囲方向から計測することが考えられるが、計測精度を向上できるが計測時間が増大してしまうという問題がある。

例えば、特許文献１では、矩形状のＸ線源より放射される１次Ｘ線の一部又は全部を該Ｘ線源の長軸に対して平行に配置された測定試料の表面に５°以内の入射角で入射させ、該試料の表面で回折されたＸ線強度分布を０次元検出器により回折角２θとともに測定しＸ線回折プロファイルを得る工程１と、該測定試料を該測定試料表面内で所定の角度だけ回転させ、工程１を１回以上繰り返す工程２と工程１及び工程２より得られた複数のＸ線回折プロファイルより試料の長周期規則性を評価するＸ線評価方法が提案されている。しかしながら、上記と同様に、特許文献１では、試料が千鳥配置パターンの場合は、正確な計測を行うことができないという問題がある。

特開２００１−１５３８２２号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、周期的構造パターンに電磁波を照射してパターン形状を計測する場合に、計測時間を増大させることなく、高精度に計測することが可能なパターン計測方法およびパターン計測装置を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、複数のパターンが周期的に配列して構成され、かつ、各パターンが部分的に重なる周期的構造パターンに対して、異なる複数の入射方向から電磁波を照射する照射工程と、前記周期的構造パターンにより散乱される電磁波を検出して、その散乱プロファイルを検出する検出工程と、前記検出された散乱プロファイルから前記周期的構造パターンのパターン形状を計測する計測工程と、を含み、前記照射工程では、前記異なる複数の入射方向は、前記周期的構造パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない入射方向であることを特徴とするパターン作成装置が提供される。

また、本発明の一態様によれば、複数のパターンが周期的に配列して構成され、かつ、各パターンが部分的に重なる周期的構造パターンに対して、異なる複数の入射方向から電磁波を照射する照射手段と、前記周期的構造パターンにより散乱される電磁波を検出して、その散乱プロファイルを検出する検出手段と、前記検出された散乱プロファイルから前記周期的構造パターンのパターン形状を計測する計測手段と、を備え、前記照射手段では、前記異なる複数の入射方向は、前記周期的構造パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない入射方向であることを特徴とするパターン計測装置が提供される。

本発明によれば、周期的構造パターンに電磁波を照射してパターン形状を計測する場合に、計測時間を増大させることなく、高精度に計測することが可能となるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にて使用されるパターン計測装置の構成を示す模式図である。 図２は、検出器の斜視概略構成を示す図である。 図３は、周期的構造パターン（千鳥配置コンタクトパターン）の一部分の平面模式図である。 図４は、図１に示すパターン計測装置が、千鳥配置コンタクトパターン２の形状を計測する手順を示すフローチャートである。 図５は、図４のＳ３およびＳ４の処理（フイッティングと形状パラメータの決定）を詳細に説明するためのフローチャートである。 図６は、方位角方向についての散乱プロファイルの例を示す図である。 図７は、仰角方向についての散乱プロファイルの例を示す図である。 図８は、決定した形状パラメータの計測値から千鳥配置コンタクトパターンを計測した例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施の形態に係るパターン計測方法およびパターン計測装置を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
本実施の形態のパターン計測方法、パターン計測装置、およびコンピュータが実行可能なプログラムは、電磁波（例えば、Ｘ線）の散乱を利用した計測において、周期的構造パターン（例えば、千鳥配置パターン）を計測する場合に、周期的構造パターンに対して、周期的構造パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない複数の入射方向から電磁波を照射して散乱電磁波を計測することで、周期的構造パターンの配置・形状を精度よく計測するものである。

本実施の形態のパターン計測方法、パターン計測装置、およびコンピュータが実行可能なプログラムは、半導体基板上の周期的構造パターンで散乱させたＸ線による干渉パターンから、パターン形状を再構築する手法を採用しており、ＣＤ−ＳＡＸＳを使用した場合を一例として説明する。本実施の形態に係るパターン作成方法は、半導体や液晶等の微細な回路パターンの製造過程途中の半導体基板計測に適している。

図１は、本実施の形態に係るパターン計測方法の実施に使用されるパターン計測装置の構成を示す模式図であり、（ａ）は、パターン計測装置の側面構成、（ｂ）はパターン計測装置を上から見た平面構成を示す図である。なお、図１において、計算機６は模式的に図示されており、側面構成および平面構成を示していない。

パターン計測装置は、図１に示すように、Ｘ線光源３及び検出器４を含む光学系と、サンプルである半導体基板１が載置され回転するステージ５と、計算機６とを備えている。

ステージ５上には、コンタクトパターン２が形成された半導体基板１が載置される。このコンタクトパターン２は、複数のパターンが周期的に配列された周期的構造パターンで構成されており、例えば、千鳥配置パターンである（以下、千鳥配置パターン２と表記する）。ここで、半導体基板１のうち千鳥配置パターン２が形成された面を基準面Ｓとする。ステージ５は、基準面Ｓに平行な面内において回転可能に構成されている。基準面Ｓに平行な方向を方位角方向、基準面Ｓに垂直な方向を仰角方向と称する。

電磁波発生源であるＸ線光源３は、例えば、０．０５ｎｍから０．５ｎｍのうちのいずれかを波長とするＸ線を射出する。Ｘ線光源３は、基板計測のための電磁波を射出する電磁波射出部として機能する。Ｘ線光源３は、例えば、ＣｕのＫα線を発生させる管球と、発生させたＸ線を平行化させる凹面鏡とを備える。Ｘ線光源３は、基準面Ｓに対してＸ線が例えば０．４度以下の傾きをなすように配置されている。

計算機６は、Ｘ線光源３，ステージ５、検出器４の動作を制御すると共に、Ｘ線光源３のＸ線の入射方向を決定して、ステージ５を回転させる。また、計算機６は、検出器４の検出結果である散乱プロファイルに基づいて、パターン形状の計測を行う。

図２は、検出器４の斜視概略構成を示す図である。検出器４は、二次元方向へ配列させた複数の受光部４１を備える。受光部４１は、Ｘ線を検出する検出素子として機能する。検出器４は、二次元方向におけるＸ線の強度分布を検出する。検出器４は、千鳥配置パターン２から広く散乱したＸ線を検出可能とするために、ステージ５上の半導体基板１から十分離れた位置に配置される。

図３は、各パターンが部分的に重なる千鳥配置パターン２の平面模式図であり、（ａ）は入射方向をＸ方向およびＹ方向とした場合（従来の場合）、（ｂ）は、本実施の形態の入射方向とした場合を示している。千鳥配置パターン２を計測する場合に、本実施の形態におけるＸ線の入射方向を、従来技術と対比して説明する。パターンの形状が真円の場合、一般的に、一方向、またはＸ方向およびＹ方向の２方向の計測を必要する。パターンの形状が楕円の場合、楕円の長径、短径の２方向の計測が必要となる。図３に示す例では、半導体基板１上に、楕円のパターン２１〜２４が千鳥配置された千鳥配置パターン２が形成されている。

楕円のパターン２１〜２４を計測する場合は、半導体基板１のＸ軸に対して、０°（Ｘ方向）と９０°（Ｙ方向）の２方向からＸ線を入射させるのが一般的である。ＣＤ−ＳＡＸＳで計測される形状は、Ｘ線の入射方向に垂直な断面形状であるため、図３（ａ）に示すように、例えば、Ｘ線の入射方向がａ（Ｘ軸に対して角度０°）の場合は、各パターン２１〜２４の短径、例えば、パターン２１の短径１０１を計測できる。これに対して、入射方向がｂ（Ｘ軸に対して角度９０°）の場合は、入射方向ｂから見て、近接するパターン２１、２２で部分的に重なる部分があり、この重なり部分を含んだ１０３がパターン幅として計測される。したがって、ａ，ｂの２つを入射方向とした場合は、千鳥配置パターン２の形状を正確に計測することができない。

そこで、本実施の形態では、千鳥配置されているパターン同士が部分的に重ならない方向を入射方向として決定する。ここで、パターン同士が部分的に重ならない方向とは、条件１：パターン同士が全く重ならない方向、または、条件２：パターン同士が全体的にのみ重なる方向（パターンの中心点を結ぶ線上にこの中心点を持つパターンだけが重なり合う方向）を満たす方向をいう。

図３（ｂ）において、入射方向ａは、パターンが部分的に重ならないので入射方向とする。入射方向ｂは、上述したように、パターン２１とパターン２２が部分的に重なるので、入射方向としない。入射方向ｃは、パターンが部分的に重ならない（全体的に重なりあう）ので、入射方向に決定する。したがって、本実施の形態では、Ｘ線の入射方向をａ，ｃに決定する。

図４は、図１に示すパターン計測装置が、千鳥配置パターン２のパターン形状を計測する手順を示すフローチャートである。図５は、図４のステップＳ３，Ｓ４（フイッティングと形状パラメータの決定）の手順を詳細に説明するためのフローチャートである。

図４において、まず、計算機６は、設計情報に基づいてＸ線の異なる複数の入射方向を決定する（ステップＳ１）。具体的には、上述したように、パターン同士が部分的に重ならない方向を入射方向に決定し、すなわち、パターン同士が全く重ならない方向（条件１）、または、パターン同士が全体的にのみ重なる方向（条件２）を決定する。入射方向を決定する場合は、Ｘ軸に対して、０°、９０°、α（但し、０°＜α＜９０°）の順に、条件１または条件２を満たすか判断し、２つの角度が、条件１または条件２を満たした場合に、この２つの角度を入射方向、すなわち、入射方位角に決定する。図３（ｂ）に示す例では、０°、αが入射方位角として決定される。なお、この入射方位角は、オペレータが設計情報に基づいて決定して計算機６に入力しても、計算機６が設計情報に基づいて演算により算出してもよい。

つぎに、ステップＳ１で決定した複数の入射方位角について、半導体基板１についての散乱プロファイルの実測値を取得する（ステップＳ２）。具体的には、計算機６は、半導体基板１が載置されたステージ５を回転させながら千鳥配置パターン２へＸ線を入射させることで、千鳥配置パターン２に対するＸ線の入射方位角を変化させる。計測は、決定した入射方位角から所定角度までを計測範囲として実施される（例えば、図３（ｂ）の例では、入射方位角０°〜１０°、入射方位角α°〜α°＋１０°）。入射方位角を変化させることにより、さまざまな回折条件での散乱光が取得可能となる。

検出器４は、千鳥配置パターン２で反射し方位角方向と仰角方向とへ散乱したＸ線を検出する。検出器４によるＸ線の検出結果からは、Ｘ線の強度分布を表す二次元散乱強度画像が作成される。検出器４の各受光部４１では、入射したＸ線による露光を継続させることで、Ｘ線による信号強度が積算される。Ｘ線の二次元散乱強度画像は、計測レシピに基づいて積算時間が変わるごとに計算機６に取り込まれ、単位時間当たりの強度分布に変換される。計算機６は、かかる単位時間当たりの強度分布を加算することにより、注目した形状パラメータについて高感度な二次元散乱強度画像を得る。

計算機６は、得られた二次元散乱強度画像を、方位角方向と仰角方向とに分け、それぞれの方向についての散乱プロファイルとして算出する。図６は、方位角方向についての散乱プロファイルの例を示す図である。方位角方向についての散乱プロファイルは、水平面内における散乱強度の分布を表し、パターンのピッチ幅を反映した回折ピークが現れる。図７は、仰角方向についての散乱プロファイルの例を示す図である。仰角方向についての散乱プロファイルは、垂直方向における散乱強度を表し、パターンの高さを反映した干渉縞が現れる。仰角方向についての散乱プロファイルは、回折ピークごとに得られる。

次に、計算機６は、ステップＳ２において実測値として得られた散乱プロファイルと、断面形状を基に計算によって得られた散乱プロファイルとのフィッティングを行い（ステップＳ３）、各形状パラメータを決定する（ステップＳ４）。具体的には、図５に示すように、断面形状を設定し（ステップＳ１１）、断面形状を基に計算（シミュレーション）によって散乱プロファイルを算出する（ステップＳ１２）。また、上述したように、測定によって（ステップＳ１３）、散乱プロファイルを取得する（ステップＳ１４）。そして、実測値として得られた散乱プロファイルと、断面形状を基に計算によって得られた散乱プロファイルとのフィッティングを行う（ステップＳ１５）。

ここで、ＣＤについては、方位角方向の散乱プロファイルによるフィッティングを行う。ＨＴ、ＳＷＡ、トップラウンディング及びボトムラウンディングについては、仰角方向の散乱プロファイルによるフィッティングを行う。方位角方向の散乱プロファイルによるフィッティングと、仰角方向の散乱プロファイルによるフィッティングとは、交互に行われる。

実測値として得られた散乱プロファイルと、断面形状を基に計算によって得られた散乱プロファイルとが一致した場合（ステップＳ１５の「ＯＫ」）、各形状パラメータは最適化される。最適化されたときの各形状パラメータの値を、計測値と決定する（ステップＳ１６）。他方、実測値として得られた散乱プロファイルと、断面形状を基に計算によって得られた散乱プロファイルとが一致しない場合（ステップＳ１５の「ＮＧ」）、形状パラメータの値を変更させた断面形状を設定し（ステップＳ１１）、設定された断面形状についてのシミュレーションにより、散乱プロファイルを計算する（ステップＳ１２）。そして、断面形状を再設定して計算された散乱プロファイルを用いて、再度フィッティングがなされ（ステップＳ１５）、実測値として得られた散乱プロファイルと、断面形状を基に計算によって得られた散乱プロファイルとが一致するまで、処理が繰り返される。

図４に戻り、ステップＳ５では、ステップＳ１で決定したＸ線入射方向およびステップＳ４で決定した各形状パラメータの計測値に基づいて、千鳥配置パターン２の計測結果を算出する（ステップＳ５）。図８は、決定した形状パラメータの計測値から千鳥配置コンタクトパターンを計測した例を示す図である。本実施の形態の計測により、図８（ａ）のｄ１、ｄ２、角度αが形状パラメータとして得られる。得られた各形状パラメータから、図８（ｂ）に示す平行四辺形が形成される。この平行四辺形は、底辺＝ｄ２／ｓｉｎα、高さ＝ｄ１となっている。この平行四辺形に内接する楕円が計測対象となるパターンとなる。このようにして、千鳥配置パターン２の形状を計測することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、千鳥配置パターンに対して、千鳥配置パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない複数の入射方向からＸ線を照射し、千鳥配置パターンにより散乱されるＸ線を検出して、その散乱プロファイルを検出し、検出された散乱プロファイルに基づいてパターン形状を計測し、異なる複数の入射方向は、周期的構造パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない入射方向としたので、Ｘ線をＸ方向およびＹ方向から入射させる場合に比して高精度にパターン形状を計測でき、また、Ｘ線を全周囲方向から入射させる場合に比して短時間で計測でき、千鳥配置パターンにＸ線を照射してパターン形状を計測する場合に、計測時間を増大させることなく、高精度に計測することが可能となる。

また、千鳥配置パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない入射方向を、パターン同士が全く重ならない方向、または、パターン同士が全体的にのみ重なる方向としたので、簡単に入射方向を決定することが可能となる。

なお、本実施の形態は、サンプルの周期的構造が千鳥配置パターンである場合に限られず、周期的構造をなすいずれのパターンであっても良い。周期的構造は、例えば、二次元方向へ配列された二次元パターンやホールパターン等であっても良い。本実施の形態に係るパターン計測方法は、いずれのパターン周期の周期的構造に適用しても良い。本実施の形態は、特に、微細な周期的構造、例えば３０ｎｍ以下のパターン周期をなす周期的構造の計測に有用である。また、計測されるパターンは楕円パターンに限れず、他のパターンでも可能である。また、基板計測に使用される電磁波は、Ｘ線である場合に限られず、散乱光の干渉により回折パターンを生じさせるものであればいずれの波長の電磁波であっても良い。

計測対象とする形状パラメータは、本実施の形態で説明するものに限られない。形状パラメータとしては、ＣＤ、ＨＴ、ＳＷＡ、トップラウンディング及びボトムラウンディングの他、基準面Ｓからの深さ等を採用しても良い。これらの各形状パラメータは、断面形状の関数に用いることが可能であって、いずれも注目パラメータとして選択可能である。

（プログラム）
なお、本実施の形態のパターン計測装置は、複数の機器（例えば、ホストコンピュータ、インターフェイス機器、ディスプレイ、スキャナ、プリンタ等）から構成されるシステムに適用しても、１つの機器から構成される装置（ホストコンピュータ等）に適用しても良い。

また、本実施の形態の目的は、上述したパターン計測装置の機能を実現するソフトウエアのプログラムコードを記録した記録媒体を、システムまたは装置に供給し、そのシステムまたは装置のコンピュータ（または、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰ）が記録媒体に格納されたプログラムコードを実行することによっても達成することが可能である。この場合、記録媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述したマスクレイアウト作成装置の機能を実現することになり、そのプログラムコードまたはそのプログラムを記憶した記録媒体は本発明を構成することになる。プログラムコードを供給するための記録媒体としては、ＦＤ、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリ、ＲＯＭなどの光記録媒体、磁気記録媒体、光磁気記録媒体、半導体記録媒体を使用することができる。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、前述したパターン計測装置の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述したパターン計測装置の機能が実現される場合も含まれること言うまでもない。

また、記録媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述したパターン計測装置の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。

１ 半導体基板、２ 千鳥配置パターン、３ Ｘ線光源、４ 検出器、５ ステージ、６ 計測器、２１，２２，２３，２４ 楕円パターン

Claims (4)

1. 複数のパターンが周期的に配列して構成され、かつ、各パターンが部分的に重なる周期的構造パターンに対して、異なる複数の入射方向から電磁波を照射する照射工程と、
   前記周期的構造パターンにより散乱される電磁波を検出して、その散乱プロファイルを検出する検出工程と、
   前記検出された散乱プロファイルに基づいて、前記周期的構造パターンのパターン形状を計測する計測工程と、
   を含み、
   前記照射工程では、前記異なる複数の入射方向は、前記周期的構造パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない入射方向であることを特徴とするパターン計測方法。
2. 前記周期的構造パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない入射方向は、パターン同士が全く重ならない方向、または、パターン同士が全体的にのみ重なる方向であることを特徴とする請求項１に記載のパターン計測方法。
3. 前記周期的構造パターンは、千鳥配置パターンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパターン計測方法。
4. 複数のパターンが周期的に配列して構成され、かつ、各パターンが部分的に重なる周期的構造パターンに対して、異なる複数の入射方向から電磁波を照射する照射手段と、
   前記周期的構造パターンにより散乱される電磁波を検出して、その散乱プロファイルを検出する検出手段と、
   前記検出された散乱プロファイルから前記周期的構造パターンのパターン形状を計測する計測手段と、
   を備え、
   前記照射手段では、前記異なる複数の入射方向は、前記周期的構造パターンを構成する各パターンが部分的に重ならない入射方向であることを特徴とするパターン計測装置。
   
   

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