JP2011220893A - マスク検査装置及びマスク検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多段のパターンで形成されている測定対象に対して、ＳＥＭ像から測定対象領域の凹凸を的確に特定し、その構造を正確に判定することのできるマスク検査装置及びマスク検査方法を提供すること。
【解決手段】マスク検査装置は、電子ビームを試料上に照射する照射手段と、電子ビームの照射によって、パターンが形成された試料上から発生する電子の電子量を検出する電子検出手段と、電子量を基にパターンの画像データを生成する画像処理手段と、電子検出手段で検出された電子の電子量を基に試料上に形成されたパターンのラインプロファイル及び微分プロファイルを作成する制御手段と、を有する。制御手段は、微分プロファイルを基に検出したパターンの立上がりエッジ及び立下りエッジを検出し、当該エッジのデータ及び画像処理手段で作成された画像データを基に多段構造のマスクデータを生成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ＣＡＤ情報がなくても２段階のエッジ構造を判定することのできるマスク検査装置及びマスク検査方法に関する。

パターンの線幅測定方法として、走査型電子顕微鏡による測定が行われている。走査型電子顕微鏡では、電子線走査範囲内に入射電子を走査させながら照射し、シンチレータを介して試料から放出される２次電子を取得し、取得した電子の電子量を輝度に変換して表示装置に表示している。

このような走査型電子顕微鏡を用いて半導体装置の特性を管理する場合に、パターンの線幅が設計基準値内に形成されているか否かの作業を行うことが一般に採用されている。パターンの線幅の管理は、次のような手順によって行われている。フォトマスク上に形成されたパターンの所定範囲をディスプレイに表示した後、その表示範囲内の測定ポイントに照準を当てて電子ビームを照射し、測定ポイントから反射された二次電子に基づいて輝度分布の波形を取得する。そして、輝度分布の波形の高レベル部分の幅を線幅と判断する。この線幅が許容誤差の範囲内にあるか否かを判断し、許容誤差の範囲内であれば、次の工程に移り、許容誤差の範囲内でなければパターン形成の処理工程に戻される。

このように、パターンの線幅の測定は、半導体装置の製造工程において重要であり、線幅を正確に測定するための種々の手法が提案されている。

一般的に、２次電子量に対応する輝度の傾きが最大となる位置をパターンのエッジ位置としているが、特許文献１では、２次電子信号が極小値をとる位置をエッジ位置とみなすエッジ検出方法が開示されている。

特開平５−２９６７５４号公報

上述したように、走査型電子顕微鏡を使用してパターンの線幅測定をする場合には、輝度の傾きが最大となる位置をエッジ位置としたり、２次電子信号が極小値をとる位置をエッジ位置とする方法が採用されている。

近年、半導体の微細化が進み、位相シフト等の２段階のエッジ構造を持つフォトマスクが使用されるようになっている。このような構造のフォトマスクについても走査型電子顕微鏡によりＳＥＭ画像を作成して正確にフォトマスクが作成されているか否かを測定している。

ＳＥＭ画像は、輝度データを基に作成されている。２層構造のフォトマスクの場合は、パターンが形成された領域と、パターンが形成されていない領域との輝度が異なるため、ＳＥＭ画像を用いてパターン構造を検出することが可能である。

しかし、２段階のエッジ構造を持つフォトマスクの場合は、パターンが形成されている領域とパターンが形成されていない領域とで輝度値が２分されるとは限らず、ＳＥＭ画像のコントラスト情報から、フォトマスクのレイヤ構造を特定することは困難である。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、目的は、多段のパターンで形成されている測定対象に対して、ＳＥＭ像から測定対象領域の凹凸を的確に特定し、その構造を正確に判定することのできるマスク検査装置及びマスク検査方法を提供することである。

上記した課題は、電子ビームを試料上に照射する照射手段と、前記電子ビームの照射によって、パターンが形成された前記試料上から発生する電子の電子量を検出する電子検出手段と、前記電子量を基に当該パターンの画像データを生成する画像処理手段と、前記電子検出手段で検出された電子の電子量を基に前記試料上に形成されたパターンのラインプロファイル及び微分プロファイルを作成する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記微分プロファイルを基に検出した前記パターンの立上がりエッジ及び立下りエッジを検出し、当該エッジのデータ及び前記画像処理手段で作成された画像データを基に多段構造のマスクデータを生成することを特徴とするマスク検査装置により解決する。

この形態に係るマスク検査装置において、前記制御手段は、同一階層の対向する立下りエッジと立上がりエッジとのペアを検出してエッジデータとして記録するようにしてもよく、前記制御手段は、前記対向する立下りエッジと立上がりエッジの間の領域を、階層毎に異なる態様で表示するようにしてもよい。

また、上記した課題は、試料上に形成されたパターンのＳＥＭ画像を取得するステップと、前記ＳＥＭ画像を基に２層構造としてのデータを作成するステップと、前記パターンのラインプロファイル及び微分プロファイルを作成するステップと、前記微分プロファイルから前記パターンの立上がりエッジ及び立下りエッジを検出するステップと、当該エッジのデータ及び前記画像処理手段で作成された画像データを基に多段構造のマスクデータを生成するステップと、を有することを特徴とするマスク検査方法により解決する。

この形態に係るマスク検査方法において、前記パターンの立上がりエッジ及び立下りエッジを検出するステップでは、同一階層の対向する立下りエッジと立上がりエッジとのペアを検出してエッジデータとして記録するステップであるようにしてもよく、さらに、前記対向する立下りエッジと立上がりエッジの間の領域を、階層毎に異なる態様で表示するステップを有するようにしてもよい。

本発明では、多段構造を有するマスクに対してＳＥＭ画像から２層構造としてのデータを生成し、パターンの微分プロファイルから立上がり及び立下りエッジのデータを生成する。これらのデータを基にパターンの多段構造データを作成する。これにより、ＣＡＤデータの情報が無くても多段構造を有するマスクを正確に判定することができ、正しい測定を行うことが可能となる。

本発明の実施形態で使用される走査型電子顕微鏡の構成図である。 信号処理部が取得する電子像およびプロファイルの説明図である。 ３層構造マスクのデータ取得処理の一例を示すフローチャートである。 ３層構造マスクの一例及びそのＳＥＭ画像を示す図である。 ３層構造マスクのプロファイルを説明する図である。 取得した３層構造マスクのデータを基に作成した図の一例である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

はじめに、パターン測定装置として使用される走査型電子顕微鏡の構成について説明する。次に、一般的なパターンの線幅の測定方法について説明する。次に、トライトーンマスクを対象としてレイヤ構造を含めたマスク検出について説明する。

（走査型電子顕微鏡の構成）
図１は、本実施形態に係る走査型電子顕微鏡の構成図である。

この走査型電子顕微鏡１００は、電子走査部１０と、信号処理部３０と、画像表示部４０と、記憶部５５と、電子走査部１０、信号処理部３０、画像表示部４０及び記憶部５５の各部を制御する制御部２０とに大別される。制御部２０は、プロファイル作成部２１、微分プロファイル作成部２２及びエッジ検出部２３を有している。

電子走査部１０は、電子銃１とコンデンサレンズ２と偏向コイル３と対物レンズ４と移動ステージ５と試料ホルダ６とを有している。

電子銃１から照射された荷電粒子９をコンデンサレンズ２、偏向コイル３、対物レンズ４を通して移動ステージ５上の試料７に照射するようになっている。

荷電粒子９が照射されて試料７から放出される２次電子は、シンチレータ等で構成される電子検出器８によって検出される。検出された２次電子の電子量は、信号処理部３０のＡＤ変換器によってデジタル量に変換され、画像データとして記憶部５５に格納される。画像データは輝度信号に変換されて画像表示部４０で表示される。なお、画像データには、取得された画像の範囲や、ＳＥＭの倍率等の情報も含まれている。偏向コイル３の電子偏向量と画像表示部４０の画像スキャン量は制御部２０によって制御される。また、制御部２０には、線幅測定を実行するためのプログラムが格納されている。

プロファイル作成部２１では、指定された範囲のＳＥＭ画像データの輝度信号を表すラインプロファイルを作成する。ラインプロファイルは、２次電子の電子量に対応した輝度信号を表すものであり、測定パターンの断面形状を反映すると考えられている。

微分プロファイル作成部２２では、ラインプロファイルに対して、１次微分処理及び２次微分処理を施し、１次微分プロファイル及び２次微分プロファイルを作成する。

エッジ検出部２３は、ラインプロファイル、１次微分プロファイル及び２次微分プロファイルからパターンのエッジを検出する。

（一般的なＳＥＭ画像を利用したパターンサイズの測定）
次に、図１に示した走査型電子顕微鏡１００を用いて、図２（ａ）に示す試料のパターンのエッジ検出を含むＳＥＭ画像を利用したパターンサイズの測定について説明する。

試料７として、図２（ａ）に示すように、フォトマスク基板５０上に配線パターン５１が形成されたものを対象する。試料７の一部は図２（ａ）に示すような平面形状となっている。ここで、破線５２で囲んだ部分は、走査型電子顕微鏡１００の観察領域を示している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す試料上に電子ビームを走査して得られる２次電子等の電子量を電子検出器８によって検出し、検出した電子量を輝度信号に変換し、電子ビームの走査と表示装置（表示部４０）のＣＲＴの走査とを同期させて表示したＳＥＭ画像の例を示している。

図２（ｂ）に示すＳＥＭ画像から、測長エリアを指定してＳＥＭ画像を抽出する。測長エリアは例えば幅Ｈが４００ピクセル、長さＬの領域とする。この領域は、上側ラインマーカーＬＭ１、下側ラインマーカーＬＭ２、左側ラインマーカーＬＭ３及び右側ラインマーカーＬＭ４によってオペレータによって選択される。

抽出したＳＥＭ画像ピクセルデータから、測長エリアのＨ方向を分割し、分割した領域について輝度分布に対応するラインプロファイルを求める。なお、ラインプロファイルを求めるときに、長さＬ方向に例えば３ピクセル幅でスムージング処理を行うことによりノイズ成分を小さくすることができる。

図２（ｃ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ線に沿って電子ビームを照射したときに得られる試料から放出される２次電子の電子量に対応するラインプロファイルを示した図である。図２（ｃ）に示すように、ラインプロファイル（コントラストプロファイル）は、パターンのエッジ部分で急激に変化する。急激に変化する位置を求めるために、ラインプロファイルを微分して、微分信号量の最大ピークと最小ピークを求める。

更に、図２（ｄ）に示すように、ピーク前後の複数の微分信号Ｄｘからピクセル間を補完して微分波形Ｃ１，Ｃ２を求め、１／１００の分解能で第１ピークＰ１と第２ピークＰ２のピーク位置を計算する。ラインパターンの幅Ｗ１は、第１ピークＰ１と第２ピークＰ２との間の距離として求められる。

以上の処理を分割したそれぞれの領域で行い、各領域で算出したパターンの幅の平均値を測長値とすることで、より正確なラインパターンの幅Ｗ１が得られる。

（多段構造のマスクのＳＥＭ画像による判定）
以下に、トライトーンマスクのようにガラス基板上に多段のパターンが形成されたマスクの構造を簡易かつ正しく判定する処理について説明する。

図３は、多層構造のデータを取得する処理の一例を示したフローチャートであり、図４から図６は、この処理を説明するための図である。なお、本処理では、予めパターンが形成された試料のＳＥＭ画像が取得され、記憶部５５にＳＥＭ画像データが格納されているものとする。

本実施形態では、図４（ａ）に示すトライトーンマスクを対象とする。図４（ａ）に示すように、このトライトーンマスク（Ternary mask）は、石英よりなる透明ガラス基板上に、Ｍｏ・Ｓｉ系、又はジルコニウムシリサイド系の材料による光半透過位相シフト膜が形成され、その上にＣｒ（クロム）等の金属材料による遮光膜が形成されている。ガラス基板を第１レイヤ、光半透過位相シフト膜を第２レイヤ、遮光膜を第３レイヤとする。

第２レイヤのパターン４２ｂ、４２ｃ上には第３レイヤのクロムは存在せず、第２レイヤのパターン４２ａ、４２ｄ上には一部にクロムパターン４３ａ、４３ｂが形成されている。

図３のステップＳ１１において、対象領域のＳＥＭ画像を取得する。所望の検査エリアを指定して、ＳＥＭ画像データを記憶部５５から抽出する。図４（ｂ）は、図４（ａ）のトライトーンマスク上を電子ビームを照射しながら走査して取得したＳＥＭ像の一例である。図４（ｂ）に示すように、パターンが形成されていない領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃに対応するＳＥＭ画像４６ｃ、４６ｅ、４６ｇは輝度が低く黒表示になり、パターンが形成されている領域４２ｂ、４２ｃに対応するＳＥＭ画像４６ｄ、４６ｆは輝度が高く白に近い表示になっている。また、第２レイヤにパターンが形成されている領域４２ａ、４２ｄでは第３レイヤにパターンが形成されている領域４３ａ、４３ｂを除いた領域に対応するＳＥＭ画像４６ｂ、４６ｈが白に近い表示になっているものの、第３レイヤにパターンが形成された領域４３ａ、４３ｂに対応するＳＥＭ画像４６ａ、４６ｉでは黒表示になっている。

次のステップＳ１２において、ステップＳ１１で取得したＳＥＭ画像を基に、２層構造としてのデータを作成する。図４（ｂ）のＳＥＭ画像に示すように、このＳＥＭ画像からは３層構造であることを判別することができない。そこでまず、画像の濃淡を基に、２層構造の場合のパターン形成領域とパターンが形成されていない領域とを区別する画像データを生成する。図６（ａ）はその一例を示した図である。

次のステップＳ１３において、輝度波形データ（ラインプロファイル）の２次微分波形データを取得する。

記憶部５５に格納されたＳＥＭ画像のうち、測定対象となっている領域を抽出し、ＳＥＭ画像データのうちの輝度情報を抽出してラインプロファイルを作成する。微分プロファイル作成部２２において、このラインプロファイルを２次微分する処理を行う。

図５は、トライトーンマスクのＳＥＭ画像から得られる輝度信号を表すラインプロファイル６１、ラインプロファイル６１を１次微分及び２次微分した１次微分プロファイル６２及び２次微分プロファイル６３を示している。

図５のラインプロファイル６１に示すように、各パターンのエッジ部分（Ｅ１〜Ｅ８）でラインプロファイル６１の信号量が大きくなっている。また、第１レイヤの信号量、第２レイヤの信号量、及び第３レイヤの信号量はそれぞれ異なっている。図５の場合は、第１レイヤの信号量が一番小さく、第２レイヤの信号量が一番大きくなっている。

一般に、パターンのエッジは、ラインプロファイルの中で、傾斜が最も急な位置が採用されている。この最も急な位置を算出するために、ラインプロファイルを１次微分し、１次微分プロファイルの極大値、極小値を求めている。

図５の１次微分プロファイル６２から分かるように、パターン４３ａとパターン４２ａとの境界Ｅ１や、パターン４２ａとスペース４１ａとの境界Ｅ２等に対応する位置で極値をとっている。これらの極値は、パターン間の境界やパターンとスペースとの境界、つまりエッジ位置を示している。このように、１次微分プロファイル６２の極大値、極小値の位置を算出することによりエッジ位置を求める。

図５の２次微分プロファイル６３のデータを基に、エッジの立上がりと立下りを判定する。パターンのエッジに対応する位置の近傍には、２次微分プロファイル６３に強度の値の異なる２つのピークが現れている。この２つの信号量の異なるピークの出現する位置（並び位置）によって、エッジが立上がるのか立下がるのかを判定している。

エッジ位置の近傍に現れる２次微分プロファイルの、２つのピーク位置において、ピーク位置Ｘ１のピーク値をＰ１，ピーク位置Ｘ２（＞Ｘ１）のピーク値をＰ２としたとき、Ｐ１＞Ｐ２のときは、パターンのエッジが立ち上がり、Ｐ１＜Ｐ２のときは、パターンのエッジが立ち下がると判定される。

例えば、２次微分プロファイル６３において、ピーク値６３ａとピーク値６３ｂがエッジＥ１に対応する位置に発生し、ピーク値６３ａよりも右側のピーク値６３ｂのほうが信号量が大きくなっている。この場合、対応するエッジＥ１は立下りエッジであると判定する。

同様に、エッジＥ２に対応する位置に、ピーク値６３ｃ及びピーク値６３ｄが発生し、ピーク値６３ｃよりも右側のピーク値６３ｄのほうが信号量が大きくなっている。よって、このエッジＥ２も立下りエッジと判定される。

また、エッジＥ３に対応する位置に、ピーク値６３ｅとピーク値６３ｆが発生し、ピーク値６３ｅよりも右側のピーク値６３ｆのほうが信号量が小さくなっている。この場合は、エッジＥ３が立上がると判定される。

同様に、すべてのエッジに対して対応する２次微分プロファイルから、エッジが立上がりエッジか立下りエッジかを判定する。

図３のステップＳ１４において、ステップＳ１３で取得した２次微分波形データを基に、同一レイヤの対向する立上がりエッジと立下りエッジのペアを検出する。

２次微分した結果、エッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置及それらのピーク位置のピーク値を記録する。これらの値は、エッジ位置と関連付けて記憶部５５に格納する。図５の２次微分プロファイルの結果から、エッジＥ１，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ６が立下りエッジと判定され、エッジＥ３，Ｅ５，Ｅ７，Ｅ８が立上がりエッジと判定される。

検出された立下りエッジと立上がりエッジは、同一レイヤであって対向するエッジをペアとして記録する。例えば、図５の２次微分プロファイルの結果から、図６（ｂ）に示すように、エッジＥ２とエッジＥ３、エッジＥ４とエッジＥ５、エッジＥ６とエッジＥ７がそれぞれレイヤ２におけるエッジペアとなる。また、エッジＥ１とエッジＥ８がレイヤ３におけるエッジペアとなる。

なお、エッジ位置は、ラインプロファイルを１次微分して、信号量の最大値及び最小値をとる位置を検出して記録する。１次微分処理は微分プロファイル作成部２２が行い、例えば、一般的な画像処理で使用されるソーベルフィルタなどの微分フィルタを用いて行う。

次のステップＳ１５において、ステップＳ１２で作成した２層構造としてのデータ、及び立下りエッジと立上がりエッジとのエッジペアのデータを基に、３層構造のエッジデータを作成し、ステップＳ１６において３層構造のデータを表示する。

２層構造としてのデータを基に、図６（ａ）に示すような画像が生成される。この画像において、第２レイヤの立下りエッジと立上がりエッジの間は、第１レイヤの表面に対応し、一般的にパターン形成領域よりも輝度が低く、斜線で表示している。第２レイヤの立下りエッジと立上がりエッジのエッジペアに対する画像データは、そのまま維持される。

これに対し、第３レイヤの立下りエッジと立上がりエッジ（図６（ｂ）のエッジＥ１とエッジＥ８）の間は、第２レイヤを基板とみなしたときのパターンが形成されていない領域とみなし、第２レイヤのエッジペアにおける画像とは異なる態様（図では逆斜線で表示している）で画像データを生成する。

これらの画像を重ね合わせることにより、図６（ｃ）のような画像が生成される。この画像において領域７２ａは第３レイヤにおけるパターンが形成されていない領域であり、領域７１ｃ、７１ｅ、７１ｇはさらに第２レイヤにおけるパターンが形成されていない領域である。すなわち、斜線と逆斜線とが重ね合わせて表示されている領域７１ｃ、７１ｅ、７１ｇは、第１レイヤの上にパターンが形成されていない領域であることがわかる。また、逆斜線だけが表示されている領域７１ｂ、７１ｄ、７１ｆ、７１ｈは、第２レイヤのパターンが存在する領域であることがわかる。このように、パターンが２段構造であることがわかるように表示される。

以上説明したように、本実施形態のマスク検査装置及びマスク検査方法では、多段構造を有するマスクに対してＳＥＭ画像から２層構造としてのデータを生成し、パターンの微分プロファイルから立上がり及び立下りエッジのデータを生成する。これらのデータを基にパターンの多段構造データを作成する。これにより、ＣＡＤデータの情報が無くても多段構造を有するマスクを正確に判定することができ、正しい測定を行うことが可能となる。

また、本実施形態では、立上がりエッジと立下がりエッジとを識別することが可能になるため、パターンの測定の完全自動化を行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、試料を照射する荷電粒子ビームとして電子ビームを使用した場合について説明したが、これに限らず、例えばイオンビームを使用する装置にも適用可能である。

１…電子銃、
２…コンデンサレンズ、
３…偏向コイル、
４…対物レンズ、
５…移動ステージ、
７…試料、
８…電子検出器、
９…荷電粒子、
１０…電子走査部、
２０…制御部、
２１…プロファイル作成部、
２２…微分プロファイル作成部、
３０…信号処理部、
４０…画像表示部、
４１…ガラス基板（第１レイヤ）、
４２…光半透過位相シフト膜（第２レイヤ）、
４３…遮光膜（第３レイヤ）、
５０…下地層、
５１…レジストパターン、
５５…記憶部、
６１…ラインプロファイル、
６２…１次微分プロファイル、
６３…２次微分プロファイル、
７１ｂ、７１ｄ、７１ｆ、７１ｈ…第２レイヤにパターンが形成されている領域、
７１ｃ、７１ｅ、７１ｇ…第１レイヤの上にパターンが形成されていない領域、
７２ａ…第３レイヤのパターンが形成されていない領域、
１００…走査型電子顕微鏡。

Claims (6)

1. 電子ビームを試料上に照射する照射手段と、
   前記電子ビームの照射によって、パターンが形成された前記試料上から発生する電子の電子量を検出する電子検出手段と、
   前記電子量を基に当該パターンの画像データを生成する画像処理手段と、
   前記電子検出手段で検出された電子の電子量を基に前記試料上に形成されたパターンのラインプロファイル及び微分プロファイルを作成する制御手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、前記微分プロファイルを基に検出した前記パターンの立上がりエッジ及び立下りエッジを検出し、当該エッジのデータ及び前記画像処理手段で作成された画像データを基に多段構造のマスクデータを生成することを特徴とするマスク検査装置。
2. 前記制御手段は、同一階層の対向する立下りエッジと立上がりエッジとのペアを検出してエッジデータとして記録することを特徴とする請求項１に記載のマスク検査装置。
3. 前記制御手段は、前記対向する立下りエッジと立上がりエッジの間の領域を、階層毎に異なる態様で表示することを特徴とする請求項２に記載のマスク検査装置。
4. 試料上に形成されたパターンのＳＥＭ画像を取得するステップと、
   前記ＳＥＭ画像を基に２層構造としてのデータを作成するステップと、
   前記パターンのラインプロファイル及び微分プロファイルを作成するステップと、
   前記微分プロファイルから前記パターンの立上がりエッジ及び立下りエッジを検出するステップと、
   当該エッジのデータ及び前記画像処理手段で作成された画像データを基に多段構造のマスクデータを生成するステップと、
   を有することを特徴とするマスク検査方法。
5. 前記パターンの立上がりエッジ及び立下りエッジを検出するステップでは、同一階層の対向する立下りエッジと立上がりエッジとのペアを検出してエッジデータとして記録するステップであることを特徴とする請求項４に記載のマスク検査方法。
6. さらに、前記対向する立下りエッジと立上がりエッジの間の領域を、階層毎に異なる態様で表示するステップを有することを特徴とする請求項４に記載のマスク検査方法。

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