JP2012178236A

JP2012178236A - パターン計測装置および方法

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Publication number: JP2012178236A
Application number: JP2011039436A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nishiyama; 泰史西山; Isao Yonekura; 勲米倉
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-09-13

Abstract

【課題】電子線照射によって表面が帯電した場合でも、パターン寸法を高精度で計測することができる。
【解決手段】電子線源およびビーム偏向機構と、被測定基板上の規定の位置に規定量の電子を走査して照射し、基板表面から放出された二次電子を検出器で検出する機構と、検出器に入った電子の個数から二次電子画像を構成する機構とを有する装置であって、連続的に取得した画像の差分情報をもとに帯電の影響による計測値の変動を補正する手段を備えることを特徴とするパターン計測装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体デバイスやこれらをリソグラフィ技術により製造する際に使用するフォトマスクの製造の際にパターンの寸法や形状を計測する装置および方法に関する。より詳しくは、基板上のパターン上に加速した電子ビームを走査しながら照射し、表面から放出された二次電子の量を計測することによってパターンの寸法や形状を計測する装置およびその方法に関する。

半導体集積回路は性能及び生産性を向上させるために微細化、高集積化が進んでおり、回路パターンを形成するためのリソグラフィ技術についても、より微細なパターンを高精度に形成するための技術開発が進められている。これに伴い、パターンの寸法や形状を計測するための技術についても、より高精度なものが求められている。

半導体デバイスや、これを製造するために用いるフォトマスクのパターン寸法は１００ｎｍ未満となっており、次世代のデバイスとしては３０ｎｍ未満のパターンを安定して形成する必要がある。このような微細なパターンの特定の位置の寸法や形状を計測する方法としては、寸法測定用に特別に設計された走査型電子顕微鏡（以下、ＣＤ−ＳＥＭと略する）が用いられ、測長ＳＥＭともいわれる。

ＣＤ−ＳＥＭは、電子源から放出され、加速された一次電子を、偏向器によって二次元に走査しながら基板上に形成されたパターン上に照射し、表面から放出された二次電子や後方散乱電子を検出する。走査した領域を縦横方向に分割し、その分割領域を画素として、各領域で検出した二次電子、あるいは後方散乱電子の量をその画素の輝度として、二次電子画像や後方散乱電子画像（以下、総称としてＳＥＭ画像と呼ぶ）を形成する。

ＳＥＭ画像のコントラストは被計測物の材質や表面の凹凸によって形成される。一次電子１個あたりの二次電子放出量を二次電子放出効率と呼び、ＳＥＭ画像の材質によるコントラストは二次電子放出効率が材質によって異なることによって得られる。二次電子放出効率は一次電子の加速電圧によっても変化する。

一方、表面の凹凸によって形成されるコントラストは一次電子の侵入深さと二次電子の脱出深さに関する近似的な表現を用いて理解することができる。非特許文献１によれば、固体表面に入射した一次電子の分布は、最大入射深さＲと、拡散深さＸ_Ｄとを用いて、表面からＸ_Ｄの深さを中心とする、半径がＲ−Ｘ_Ｄの球体として表現することができる。図１はこのことを二次元で模式的に表現したものである。例えば、入射電子のエネルギーが１５００ｅＶの場合の最大入射深さＲはシリコンの場合６２ｎｍ、タンタルの場合１３ｎｍと計算することができる。

固体内に入射した一次電子の非弾性散乱過程に伴う二次電子発生量は、一次電子のエネルギー損失量に比例すると考えることができる。ＳＥＭの一次電子が試料表面に入射する際のエネルギーは５００〜２０００ｅＶであるのに対し、生成する二次電子のエネルギーは５０ｅＶ未満の非常に低いものが大半を占める。

このため、表面から脱出できる二次電子の深さは、前記一次電子の最大入射深さと比較して、かなり小さくなると考えられる。非特許文献２によれば、二次電子のシリコンの脱出深さはシリコンの場合２．７ｎｍ、タンタルの場合は０．７ｎｍである。したがって、二次電子の脱出深さは一次電子の最大侵入深さのおおよそ２０分の１程度である。

このようなことから、試料表面の凹凸によって形成されるコントラストは、試料表面と、前記半径Ｒ−Ｘ_Ｄの球体との重なりに関係していると考えることができる。前記球体のうち試料の外側にある領域、すなわち図１の斜線で示した面積が大きいほど二次電子強度が高くなる。図２はこのことを模式的に２次元で表現したものである。図２（ａ）のように平坦な部分と比較して、図２（ｂ）のような溝構造の端部では前記面積が小さく、二次電子発生量も少ない。逆に、図２（ｃ）のような斜面部分や図２（ｄ）では、前記面積が大きく、二次電子発生量も多くなる。

ＣＤ−ＳＥＭによるパターン寸法計測は上記のようにパターン端部でＳＥＭ像の輝度が高くなる現象を利用しており、ＳＥＭ画像上で白く見える領域（以下、ホワイトバンドと表記する）の間隔からパターン寸法を計測している。

ＣＤ−ＳＥＭで用いられるような加速電圧が低い条件では、ホワイトバンドの幅が１０〜１５ｎｍ程度となるのが典型的である。したがって、パターン寸法を精度良く計測するためには、ホワイトバンドのどの部分をパターン端部と設定するのかが重要である。例えば、ホワイトバンドの輝度値のピークに対する相対値をしきい値として設定したり、輝度プロファイルを微分したピークの位置からもとのプロファイルの変曲点の位置を求めてパターン端部位置とする方法などが用いられている。

ホワイトバンドの幅はパターンを形成する材料にも依存するが、パターンの側壁角度によっても変化することが上記の説明からわかる。すなわち、パターンの側壁角度が垂直に近くなればホワイトバンド幅は小さくなり、パターンの側壁角度が小さい、いわゆるテーパ形状ではホワイトバンド幅が大きくなる。

上記の説明において、二次電子脱出深さは一次電子の侵入深さの２０分の１程度であることを示した。このことから、被測定対象が絶縁体のように導電性が高くない場合には、その最表面近傍は二次電子脱出により正に帯電し、より深い領域には一次電子が侵入したことにより負に帯電することになる。一般に、一次電子のエネルギーが高くなるにしたがって、表面近傍での散乱確率が低下して二次電子収率は低くなる傾向がある。また逆に、一次電子のエネルギーが低すぎると二次電子の発生確率が低下してしまう。このようなことから、一次電子の入射エネルギーと二次電子収率の間には図４のような関係になることが一般に知られている。

図４のＥ１やＥ２のエネルギーにおいては一次電子の入射量と二次電子の放出量が等しくなるため帯電が抑制されると考えられ、一次電子のエネルギーを制御して、二次電子収率が１になるようにする方法や、二次電子収率が１より大きい条件と１より小さい条件を組み合わせて帯電を抑制する技術が特許文献１に開示されている。しかしながら、この方法では異種の絶縁体があるような試料では、その形態にあわせて加速電圧を動的に制御して画像を取得するようなことが必要となり、実施することがきわめて困難となる。

そこで、試料表面の帯電による影響がなるべく小さくなるように一次電子の加速電圧や電流値を調整し、また、その他に電界等を与える手段によって安定したＳＥＭ像が得られる条件を設定した上で、さらにパターンの側壁形状や帯電状態によるＳＥＭ画像の変動分を補正することが必要となる。たとえば試料の材料や形状をもとにＳＥＭ画像を予測し、さらに形状の変動を考慮した多数のＳＥＭ画像信号からなるライブラリを構築し、実際に得られたＳＥＭ画像の信号とのマッチングにより被計測物の寸法を得る方法が例えば特許文献２に開示されているが、ここには帯電による変動の補正がなされていない。

被計測物の帯電によるＳＥＭ像の変動は非常に複雑であるが、近年コンピュータの処理
能力が飛躍的に進歩したことから、単純な弾性散乱だけではなく、個々の非弾性散乱や電子の拡散等の多くの要素を取り入れたシミュレーションが可能となった。例えば特許文献３によれば、半導体パターンの設計データから帯電による影響も考慮したＳＥＭ像を生成することが可能である。

しかしながら特許文献３による方法では、一つの計測条件に対して一つのＳＥＭ像を形成することはできるが、実際にＳＥＭ像を取得する際に電子線を照射することによって帯電状態が時間とともに変化することが考慮されていない。このため、例えば１回目に取得した画像から最適と判断した２回目の画像取得で、１回目の画像取得の際の帯電の影響は寸法計測精度が悪化してしまう原因となっていた。

また、帯電による影響は非計測物表面の状態に非常に敏感であり、水やその他の物質の吸着によって挙動が一定ではなく、シミュレーションにより生成した画像と実際のＳＥＭ画像のマッチングが困難となる場合が多かった。

特開平７−１４５３７号公報特開２００５−１５６４３６号公報特開２０１０−２０５８６４号公報

Ｋ．Ｋａｎａｙａ等，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓＤ，５，４３（１９７２）Ｔ．Ｌｉｎ等，ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＩｎｔｅｒｆａｃｅＡｎａｌｙｓｉｓ，３７，８９５（２００５）

本発明は斯かる背景技術に鑑みて成されたもので、電子線照射によって表面が帯電した場合でも、パターン寸法を高精度で計測することができることを課題とする。

本発明において上記課題を解決するために、まず請求項１に係わる発明では、電子線源およびビーム偏向機構と、被測定基板上の規定の位置に規定量の電子を走査して照射し、基板表面から放出された二次電子を検出器で検出する機構と、検出器に入った電子の個数から二次電子画像を構成する機構とを有する装置であって、連続的に取得した画像の差分情報をもとに帯電の影響による計測値の変動を補正する手段を備えることを特徴とするパターン計測装置としたものである。

また請求項２に係わる発明では、電子線源およびビーム偏向機構と、被測定基板上の規定の位置に規定量の電子を走査して照射し、基板表面から放出された二次電子を検出器で検出する機構と、検出器に入った電子の個数から二次電子画像を構成する機構とを有する装置が実行する方法であって、連続的に取得した画像の差分情報をもとに帯電の影響による計測値の変動を補正する工程を含むことを特徴とするパターン計測方法としたものである。

本発明によれば、電子線照射によって表面が帯電した場合でも、パターン寸法を高精度で計測することができるという効果がある。

固体内の電子の散乱を模式的に表した説明図。パターン断面形状と二次電子強度の関係を表した説明図。本発明の一形態であるパターン計測装置の構成を表した説明図。一次電子のエネルギーと二次電子放出効率の関係を表した説明図。連続的に取得した複数のＳＥＭ画像から計測した結果を表した説明図。連続的に取得した複数のＳＥＭ画像において、異なる材料表面の輝度差の変化を表した説明図。連続的に取得した複数のＳＥＭ画像について、帯電の影響を補正して得た寸法計測値を表した説明図。

以下、本発明のパターン計測方法およびパターン計測装置について、図を参照して説明する。

図３は本発明の実施の一形態であるパターン計測装置の構成と動作の流れを表した説明図である。まずパターン設計データに基づいて試料上の計測位置が指定される（Ｓ１）。指定された計測位置のパターン形状と、別途指定されるパターン構成材料とから、最適な計測条件がデータベースから検索され、ＣＤ−ＳＥＭを制御する装置に転送される（Ｓ２）。

前記装置は指定された位置を含むＳＥＭ画像をＣＤ−ＳＥＭから複数取得する（Ｓ３）。このＳＥＭ画像は直交するＸＹ方向の画素数分を１回走査して得られるものであっても良いし、また、複数回走査した結果を積算することによって得られるものであっても良い。一般的には、帯電の影響を少なくするには、ＳＥＭの一次電子の電流値を小さくし、高速に走査することが好ましい場合が多く、ノイズが少ない良好な画像を得るためには複数回走査した結果を積算することによって得られるものであることが好ましい。

続いて、同一箇所について複数取得したＳＥＭ画像データはその差分処理ユニットに転送される。差分処理ユニットにおいては複数取得したＳＥＭ画像データの変動を解析して帯電による変動を抽出する（Ｓ４）。

以下、ＳＥＭ画像の横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向とし、Ｘ方向の走査を異なるＹの値に対して順次繰り返すことでＸＹ方向の２次元ＳＥＭ画像を取得するものとして帯電によるＳＥＭ画像の変動成分について説明する。Ｘ方向の走査はすべてのＹに対して同じ向きであることを前提として説明するが、交互に逆方向に走査する場合でも適用することが可能である。

第１の成分は単一のＸ方向の走査内に現れる成分である。これは試料の深さ方向をＺとしたとき、簡易的にはＸＺ平面の２次元でのシミュレーションにより、ＳＥＭ像の輝度プロファイルに及ぼす影響を抽出できる。ＳＥＭ像の取得条件との関係としては、一次電子の電流値、走査速度によって抽出される値が変化する。

第２の成分は複数のＸ方向の走査に表れる成分である。これは画像の歪みとして現れる成分と、輝度値の変化として現れる成分に分解される。画像の歪みは試料の帯電によって一次電子が入射する位置がずれることによって画像が流れる現象が典型的であり、ドリフトと呼ばれている。例えば線状パターンの幅寸法を計測したい場合に、帯電によるドリフトの成分と電子線の走査方向とパターンの相対角度の誤差成分、すなわちローテーションの成分が含まれ、単一のＳＥＭ画像ではこれらを分離することが極めて困難である。これに対し、複数の積算画像の差分処理によってドリフト成分とローテーション成分を抽出することができる。ドリフトの量と方向をシミュレーション計算によって正確に予測することは既存の技術では困難であり、計測条件を変更して再測定する必要がある。このように複数画像の差分処理はドリフトによる誤計測を発見することに用いることもできる。

また、前記の輝度値の変化として現れる成分としては、ＳＥＭ像にあるパターンに影が生じたように見えるものが典型的である。このような現象が起こる原因の一つは試料表面が急激に正に帯電することによって、二次電子の飛行する方向が試料側に引き戻される方向に曲げられるために、二次電子の検出効率が低下することが考えられている。この影響は前記第１の成分とも関係しており、ＸＺ平面の二次元でのシミュレーション結果と、ＸＹＺ空間の三次元でのシミュレーション結果の差からその成分を抽出することができる。ただし、このような処理は計算量が膨大となるため、前記特許文献３に記載されているように、影が生じる部分をあらかじめ予測して、その部分を除外して走査するようにしてもよい。

第３の成分はＸＹ方向すべての画素分の走査によって構成したＳＥＭ画像を複数枚取得したときに表れる成分である。それぞれのＳＥＭ画像は１回の走査で取得したもので得あっても良いが、ドリフトが起こりにくい条件でノイズの少ない画像を得るには複数回走査したものを積算して構成した画像であることが、より好ましい。

繰り返し取得した複数のＳＥＭ像の差分処理によって抽出できる量としてはホワイトバンドのピーク値や形状、ＳＥＭ観察領域表面の材料の差異によるコントラストの変動などをあげることができる。このような変動が起こるのは試料表面に形成された電荷分布の緩和時間が１画面分の走査に要する時間と同等もしくはそれ以上に長い場合に顕著である。

ＳＥＭ画像の輝度値の変動は一次電子の走査領域全体、さらに詳しくは、走査領域外部に流れ出た電流の到達範囲も含めた領域の電位の変化によって、検出器に到達する二次電子の数が変動することによる。

ＳＥＭ画像は各画素の輝度を８ビットの整数、すなわち２５６階調のグレースケール画像として記録し、表示するのが一般的である。最終的に記録されるＳＥＭ画像は検出器で取得した各画素の輝度値からコントラストと明るさを最適化したものとなる。したがって、ホワイトバンドのピーク強度は全体の輝度値に対して影響を及ぼすことになる。

したがって、２５６階調のグレースケールに変換された後の画像の輝度値の差分をそのまま取ってしまうと、実際の二次電子検出量の変化とは異なった変動量を検出してしまうことになる。このことを回避するためには、表面の凹凸の形状による輝度コントラストの影響をあまり受けない平坦部分の輝度値の変化から推定する方法、あるいは画像の輝度値と検出器の信号強度の絶対値の関係を画像情報のほかに別途記録する方法などがある。

例えば異なる材料からなる平坦部分の輝度が連続的に取得した複数の画像で変化した場合に、それぞれの領域の輝度が１枚目の画像と最も近い値となるようにコントラストと明るさを補正することによって、ホワイトバンド部分が帯電によって変化した量をより正確
に抽出することができる。

このように、連続的あるいは間欠的に取得した画像の変化量を定量的に差分処理することによって帯電による変動を正確に抽出することができ、この情報をシミュレーションによって蓄積したデータベースと照合することによって、寸法の計測値を正確に補正することが可能となる。

最後に、補正により得られたパターン計測値を出力する（Ｓ５）。

本発明の実施の形態について実施例を用いてさらに説明する。

石英ガラス基板上に厚さ４．２ｎｍのシリコン膜と２．８ｎｍのモリブデン膜を交互に４０対積層し、その上に厚さ４ｎｍのシリコン膜、厚さ４ｎｍのケイ酸ジルコニウム膜、タンタルを主成分とする厚さ７０ｎｍの吸収層、酸化タンタルを主成分とする厚さ２０ｎｍの反射防止層を形成したＥＵＶマスクブランクを用意した。

前記ケイ酸ジルコニウム膜はケイ素を主成分とするターゲットとジルコニウムを主成分とするターゲット、およびアルゴンと酸素の混合ガスを用いた反応性二元スパッタリングにより作製した。

前記反射防止層の上にレジストを塗布し、電子線露光装置を用いて露光し、ベーキング後に現像処理を行ってレジストパターンを形成した。ドライエッチングによって上記反射防止層と吸収層をエッチング加工した後に表面に残ったレジストを除去し、ＥＵＶマスクを得た。

前記ＥＵＶマスクの設計線幅８５ｎｍの溝状のパターン部分をＣＤ−ＳＥＭを用いて連続的に１０枚のＳＥＭ画像を取得した。この画像には酸化タンタルを主成分とする層の表面、ケイ酸ジルコニウム膜の表面、およびパターン端部で二次電子が多量に放出されるホワイトバンドが見られる。

前記１０枚のＳＥＭ画像のうち１枚目の画像について、溝状パターンの複数の領域についてＳＥＭ画像の輝度プロファイルをデータベースに蓄積されたデータと照合し、最もホワイトバンドの形状が近いパターン側壁形状を検索した。その結果、ホワイトバンドの形状とその距離から、該溝状パターンの寸法として８５．６ｎｍという結果を得た。

残りの９枚について、１枚目の画像から抽出したパラメータを用いて寸法計測したところ、図５に示すように、８５．６ｎｍから８６．９ｎｍまで徐々に増加する結果が得られた。１０回の繰り返し測定結果の標準偏差は０．３７ｎｍであった。これに対応して、ホワイトバンドの左右、すなわちケイ酸ジルコニウム膜の表面と酸化タンタルの表面の輝度の平均値の差が図６に示すように、１０．８から２０．３に徐々に変化した。

材料による輝度の平均値の差は平坦部分の二次電子収率の変化と、ホワイトバンド部分の二次電子収率の両方の影響を受ける。ホワイトバンド部分の二次電子収率が変化する影響は画像全体のコントラストと明るさに影響を及ぼすので、平坦部分の輝度変化からコントラストと明るさの変化量を抽出して逆算することによって、この影響を補正することができる。次にホワイトバンドの形状の変化から一次電子照射領域の帯電の影響を抽出する。このような変化は表面の帯電を考慮したシミュレーションによって再現することが可能である。

シミュレーション結果とのマッチングの最適化を行った結果を図７に示す。補正後の各画像信号から得たパターンの幅は平均値８５．８ｎｍ、標準偏差０．１４ｎｍとなり、帯電の影響を考慮した高精度の計測が可能となった。

本発明のパターン計測方法ならびにパターン計測装置を用いることで、ＣＤ−ＳＥＭで電子を照射したことによって表面が帯電してしまう影響を考慮した正確な寸法計測が可能となり、半導体等の製造を精度良く行うことが可能である。

Ｒ…最大入射深さ
Ｘ_Ｄ…拡散深さ

Claims

電子線源およびビーム偏向機構と、被測定基板上の規定の位置に規定量の電子を走査して照射し、基板表面から放出された二次電子を検出器で検出する機構と、検出器に入った電子の個数から二次電子画像を構成する機構とを有する装置であって、連続的に取得した画像の差分情報をもとに帯電の影響による計測値の変動を補正する手段を備えることを特徴とするパターン計測装置。
電子線源およびビーム偏向機構と、被測定基板上の規定の位置に規定量の電子を走査して照射し、基板表面から放出された二次電子を検出器で検出する機構と、検出器に入った電子の個数から二次電子画像を構成する機構とを有する装置が実行する方法であって、連続的に取得した画像の差分情報をもとに帯電の影響による計測値の変動を補正する工程を含むことを特徴とするパターン計測方法。