JP2014158012A

JP2014158012A - パターン検査方法および製造管理システム

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Publication number: JP2014158012A
Application number: JP2013180368A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kawabata; 端研二川; Toru Koike; 池徹小; Kenichi Kadota; 多健一門
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2014-08-28
Also published as: US20140236337A1

Abstract

【課題】低コストで高速なパターン検査を可能にするパターン検査方法および低コストでかつ高いスループットで半導体装置を製造することができる製造管理システムを提供する。
【解決手段】実施形態のパターン検査方法は、パターンの形状シミュレーションをモデリングする工程と、前記パターンの製造工程において管理すべき管理パラメータをインラインで計測する工程と、前記インラインでの計測結果を用いて前記形状シミュレーションを実行する工程と、前記形状シミュレーションの結果に基づいてパターン形状の合否を判定する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、パターン検査方法および製造管理システムに関する。

近年、微細化や高集積化の進展により、高アスペクトのトレンチ底やホール底などを含む３次元的に入り組んだ構造のパターンがウェーハ上に形成されている。このようなパターンについて、従来の光学式検査技術を用いてインライン検査、すなわち製造工程中に非破壊でかつ次工程に流品可能な状態での検査を行うことは困難であり、あるウェーハについて先行処理を行い、破壊して断面形状を走査電子線顕微鏡等で観察するという検査方法が採用されてきた。

しかしながら、このような破壊検査には、先行処理ウェーハのコストが無駄になり検査に要する時間も長いという問題があった。

特開２０１０−４８７７７号公報

本発明が解決しようとする課題は、低コストで高速なパターン検査を可能にするパターン検査方法および低コストでかつ高いスループットで半導体装置を製造することができる製造管理システムを提供することである。

実施形態のパターン検査方法は、パターンの形状シミュレーションをモデリングする工程と、前記パターンの製造工程において管理すべき管理パラメータをインラインで計測する工程と、前記インラインでの計測結果を用いて前記形状シミュレーションを実行する工程と、前記形状シミュレーションの結果に基づいてパターン形状の合否を判定する工程と、を含む。

実施形態によるパターン検査方法の概略手順を示すフローチャート。図１に示す概略手順のうち半導体プロセスシミュレーション準備手順のより具体的な手順を示すフローャート。図１に示す概略手順のうち検査実施手順のより具体的な手順を示すフローチャート。検査対象であるパターンの一例のエッチング処理前における断面構造を示す図。検査対象であるパターンの一例のエッチング処理前における上面構造を示す図。図４Ａおよび４Ｂに示すパターンのエッチング処理後における断面構造の一例を示す図。図４Ａおよび４Ｂに示すパターンのエッチングモデルの一例を示す図。実施形態による製造管理システムの概略構成を示すブロック図。

以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。また、以下の説明において、インライン計測により得られたデータと形状シミュレーションとを用いたパターンの仮想的検査のことをバーチャルインスペクションと呼ぶ。

（Ａ）パターン検査方法
図１は、実施形態によるパターン検査方法の概略手順を示すフローチャートである。本実施形態のパターン検査方法は、バーチャルインスペクションを用いたものであり、形状シミュレーションの準備手順（ステップＳ１００）と検査実施手順（ステップＳ２００）とで構成される。以下、各手順をより具体的に説明する。

（１）半導体プロセスシミュレーションの準備（ステップＳ１００）
形状シミュレーションの準備手順について図２のフローチャートを参照しながら説明する。本願明細書において、「形状シミュレーション」とは、連続した複数工程の半導体プロセスシミュレーションによる半導体形状予測を意味する。

まず、バーチャルインスペクションの対象とする製造工程について、破壊的手法を含む解析方法により検査対象パターンの形状解析を行う（ステップＳ１０１）。
バーチャルインスペクションの対象工程の一例として、図５に示すような断面形状となるコンタクトホールのエッチング工程を取り挙げて説明する。

図５に示すコンタクトホールのエッチング前での初期構造は、図４Ａのような断面構造と図４Ｂのような上面構造である。図４Ａに示す通り、検査対象パターンの初期構造は、シリコン基板１０１上に、シリコン酸化膜１０２、シリコン窒化膜１０３、シリコン酸化膜１０４を順次に積層し、シリコン酸化膜１０４の上に有機膜ハードマスク１０５をフォトリソグラフィにより形成することにより与えられている。図４Ｂは、検査対象パターンの初期構造の上面図であり、有機系ハードマスク１０５にホールが開口していることを示す。シリコン基板１０１は本実施形態において例えばウェーハに対応する。ウェーハは、半導体基板に限ることなく、例えばガラス基板やセラミック基板などの絶縁体基板も含む。

図５は、ハードマスク１０５をマスク材とするエッチング工程によりシリコン基板１０１内に至るまでコンタクトホールが形成されている状態を示す。
形状シミュレーションのモデル化のため、エッチング処理を行う前の形状を特定する。具体的には、図４Ａに対応する実パターンをウェーハ上に形成し、走査型電子顕微鏡（図示せず）や透過型電子顕微鏡（図示せず）を用いて測定し、図４Ａのシリコン酸化膜１０２、シリコン窒化膜１０３、シリコン酸化膜１０４の各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３、Ｔ４、ハードマスク１０５のテーパー角ａ１、ハードマスク１０５のホールトップ径ｄ１の値を取得する。同様にして、エッチング処理後の形状を走査型電子顕微鏡（図示せず）や透過型電子顕微鏡（図示せず）を用いて測定し、図５に示す、マスク残膜の膜厚Ｔ１１、シリコン基板掘れ量Ｔ１２、シリコン基板１０１、シリコン酸化膜１０２、シリコン窒化膜１０３、シリコン酸化膜１０４の各頂面でのコンタクトホール径ｄ１１，ｄ１２，ｄ１３，ｄ１４の値を取得する。

続いて、シミュレーションのモデリングの手順へ進む（図２、ステップＳ１０２）。シミュレーションの次元やモデルは、検査対象パターンの形状を再現するのに必要十分なものを選択する。本実施形態では、表面反応モデルを有する３次元のエッチングモデルを選択する。このエッチングモデルの概略図を図６に示す。このシミュレーションモデルでのシミュレーションパラメータは、イオン種Ｓ１および中性種Ｓ２のフラックス密度、イオンフラックスの広がりパラメータ、イオン種および中性種の構造表面での表面反応の係数である。パターン構造の表面では、表面保護膜Ｓ３の生成反応や、エッチング反応Ｓ４が起こり、これらの反応を取り込んでコンタクトホールのエッチング工程がシミュレートされる。図６は、コンタクトホールエッチング中の様子を描いている。

バーチャルインスペクションに使用する形状シミュレーションは、ここで述べたような３次元の物理化学的モデルに限らず、３次元の幾何学的モデルでもよいし、２次元の物理化学的モデルまたは幾何学的モデルでもよい。また、形状シミュレーションで使用されるシミュレーションパラメータも、シミュレーションに要求される精度に応じて適切に選択されればよい。

図２のステップ１０２におけるシミュレーションのモデル化では、選択したシミュレーションモデルで、初期形状パラメータＴ１，Ｔ２，Ｔ３、Ｔ４、ｄ１、ａ１をインプットとし、エッチング処理後形状の形状パラメータＴ１１、Ｔ１２、ｄ１１，ｄ１２，ｄ１３，ｄ１４を再現するように、シミュレーションモデルのパラメータを調整する。

次に、入力パラメータ間の感度解析を行い、製造工程中で管理すべき管理パラメータの抽出を行う（図２、ステップ１０３）。感度解析の対象とする初期形状パラメータはインライン計測可能な形状パラメータ群であることが望ましい。そうすれば、インライン計測データが重要である箇所を容易に発見でき、測定方法を改善することによりバーチャルインスペクションの確度を上げることができる。図５のコンタクトホール形成の検査の場合、検査指標は例えば形状パラメータｄ１１であり、コンタクトが形成されない、すなわちｄ１１＝０となる場合がこの検査での欠陥とみなされる。

パラメータの感度解析の方法に際して、シミュレーションのインプットパラメータＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，ｄ１，ａ１に、製造工程中で発生するのと同程度のパラメータ変化量を与えて、各入力パラメータによる検査指標ｄ１１への影響を定量化する（例えば感度値など）。その結果、感度の高い全てのパラメータが、製造工程で重点的に管理すべき管理パラメータとして抽出できる。

（２）検査実施（ステップＳ２００）
次に、検査実施手順の詳細について図３のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、バーチャルインスペクションの対象を含む実際のパターンをウェーハ上に形成し、図２のステップＳ１０３で抽出された管理パラメータについてのインラインでのウェーハ計測データを取得する（ステップＳ２０１）。図２のステップＳ１０３で抽出された管理パラメータが製造工程中でインライン計測されていない場合には、この管理パラメータを計測するための新たな計測工程を追加する。

図４Ａおよび４Ｂの例を用いて説明すると、例えばステップＳ１０３で、図４Ａのマスク材のテーパー角ａ１が重点管理パラメータとして抽出されたが、テーパー角ａ１の計測工程がなかった場合は、テーパー角ａ１を得るための新たな計測工程を追加する。具体的方法としては、パターン計測用の走査電子線顕微鏡（図示せず）を用いて図４Ａおよび４Ｂのハードマスク１０５のホールのトップ径ｄ１とホールボトム径ｄ２を計測し、光学式膜厚計測から取得されるＴ４の値と併せれば、テーパー角ａ１を算出することが可能である。

次いで、ステップＳ２０１で取得されたデータをインプットパラメータとして、形状シミュレーションを実行し、バーチャルインスペクションの対象となるエッチング後のパターン形状を予測する（ステップＳ２０２）。

形状シミュレーションのモデル化は、ステップＳ１００の準備手順で既に一旦行われているが、一定間隔または装置の変動や製造工程の変動を認知したタイミングでシミュレーションの精度を検証する必要がある（ステップＳ２０３、ＹＥＳ）。

精度検証が必要でない場合（ステップＳ２０３、ＮＯ）、形状シミュレーションの結果に基づいて、検査合否判定を行う（ステップＳ２０８）。例えば図５のコンタクトホール形成工程の検査では、シミュレーションの結果によりコンタクトホール径ｄ１１が０となった場合、コンタクトホール未開口による欠陥としてアラームを出力する。コンタクトホール径ｄ１１＞０のときは、シリコン基板１０１内にコンタクトが形成されているものとみなされ、検査はパスとなる。精度検証を実行しない場合は、以上でバーチャルインスペクションが終了となる。

一方、ステップＳ２０３でシミュレーションの精度検証を行うと判断した場合は、出来栄え形状解析（ステップＳ２０４）へ進む。ここでの形状解析は、破壊的解析手法を含む。

続いて、ステップＳ２０２のシミュレーション結果とＳ２０４の出来栄え形状解析結果とを比較し、形状シミュレーションの精度評価を行う（ステップＳ２０５）。精度が不十分と判定された場合には、各シミュレーションパラメータの調整を行い（ステップＳ２０６）、精度が十分であると判定されるまでシミュレーションパラメータの調整を繰り返す（ステップＳ２０５、Ｓ２０７、Ｓ２０６）。シミュレーション精度判定（ステップＳ２０７）でシミュレーション精度が十分であると判断されれば、検査の合否判定（ステップＳ２０８）へ進む。ステップＳ２０４での破壊解析の直後に、この解析に基づいて検査の合否を決定することができる。パラメータ調整が行われた形状シミュレーションは、次以降のウェーハのバーチャルインスペクションに用いられる。

以上の手順により一つの製造工程におけるバーチャルインスペクションが終了する。

以上述べた少なくとも一つの実施形態によるパターン検査方法によれば、高アスペクト比などに起因して非破壊では困難であるパターン形状の検査がインライン計測データと体形状シミュレーションとによって可能になる。これにより、低コストで高速なパターン検査が可能になる。また、形状シミュレーションによって、検査指標に影響の大きい管理パラメータが抽出されるため、インライン計測の重点箇所が事前に判り、効率的な半導体製造工程管理が可能になる。

（Ｂ）製造管理システム
次に、製造管理システムの実施形態について図７のブロック図を参照しながら説明する。図７に示す製造管理システムは、上述した実施形態のパターン検査方法を用いて半導体製造装置の管理を行うためのシステムである。

本実施形態の製造管理システムは、製造制御ユニット４０と、バーチャルインスペクションユニット５６とを含み、それぞれ外部の処理装置Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…ＤＭ（Ｍは２以上の自然数）および計測装置Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…ＭＮ（Ｎは２以上の自然数）に接続される。処理装置Ｄ１〜ＤＭは図示しないセンサによりそれぞれの装置パラメータがモニタされる。

製造制御ユニット４０は、プロセスフロー管理部４０１とインラインデータ蓄積部４０２とを含む。

プロセスフロー管理部４０１は、処理装置Ｄ１〜ＤＭおよび計測装置Ｍ１〜ＭＮに接続され、制御信号を生成してこれらの装置に送り、製造ライン中の製造工程および計測工程の順序を制御する。

インラインデータ蓄積部４０２は、処理装置Ｄ１〜ＤＭおよび計測装置Ｍ１〜ＭＮに接続される。インラインデータ蓄積部４０２は、処理装置Ｄ１〜ＤＭに設けられたセンサ（図示せず）から処理装置Ｄ１〜ＤＭの各装置パラメータを送られてこれらのパラメータを蓄積する。インラインデータ蓄積部４０２はまた、計測装置Ｍ１〜ＭＮから計測データを送られてこれらのデータを蓄積する。

バーチャルインスペクションユニット５６は、データインプット部６０１と、形状シミュレーション部６０２と、シミュレーション結果数値化部６０３と、合否判定部６０４と、管理パラメータ抽出部６０７と、形状解析部５０１と、パターン解析結果数値化部５０２と、精度検証部６０６と、シミュレーションパラメータ調整部６０５と、を含む。

データインプット部６０１は、形状シミュレーション部６０２に接続され、初期形状パラメータとともにシミュレーションモデルのデータを形状シミュレーション部６０２に与える。データインプット部６０１はまた、インラインデータ蓄積部４０２にも接続され、インラインデータ蓄積部４０２を介して計測装置Ｍ１〜ＭＮからのインライン計測データや処理装置Ｄ１〜ＤＭから得られる装置データを反映したインプットパラメータを形状シミュレーション部６０２に入力することが可能になっている。

データインプット部６０１はまた、管理パラメータ抽出部６０７にも接続されており、更に管理パラメータ抽出部６０７はインラインデータ蓄積部４０２に接続されている。パラメータ感度解析シミュレーションを実行する際には、シミュレーションのインプットパラメータに変動を与えてデータインプット部６０１へ入力する必要があるが、管理パラメータ抽出部６０７がインラインデータ蓄積部４０２に蓄積された製造工程バラツキデータを反映して変動パラメータを作成し、データインプット部６０１へそのパラメータが入力される。

シミュレーション結果数値化部６０３は、形状シミュレーション部６０２、管理パラメータ抽出部６０７、精度検証部６０６および合否判定部６０４に接続され、形状シミュレーション部６０２から送られた形状データからパターン形状の特徴を表す形状パラメータを数値化して管理パラメータ抽出部６０７、精度検証部６０６および合否判定部６０４に供給する。

管理パラメータ抽出部６０７は、パラメータ感度解析シミュレーションのためにデータインプット部６０１に入力した入力データと、そのときにシミュレーション結果数値化部６０３から得られる出力データとからパラメータの感度解析を行い、製造工程で管理すべき形状パラメータを抽出する。管理パラメータ抽出部６０７は、抽出した形状パラメータを管理パラメータとしてプロセスフロー管理部４０１に送ることにより製造工程へフィードバックする。

管理パラメータ抽出部６０７から管理パラメータを送られたプロセスフロー管理部４０１は、検査対象パターンの製造工程において管理パラメータについてのインライン計測を計測装置Ｍ１〜ＭＮに実施させる。取得されたインラインでのウェーハ計測データは、インラインデータ蓄積部４０２を介してデータインプット部６０１に送られる。なお、管理パラメータについてのインライン計測が現状のインライン計測工程に無い場合は、管理パラメータ抽出部６０７が指示信号を生成してプロセスフロー管理部４０１へ送り、プロセスフロー管理部４０１は、指示されたインライン計測を新たなインライン計測工程として追加する。

形状シミュレーション部６０２は、管理パラメータについてのインライン計測結果を反映させたパラメータを、データインプット部６０１を介して与えられ、改めて形状シミュレーションを実施し、シミュレーション結果の形状データをシミュレーション結果数値化部６０３に与える。

シミュレーション結果数値化部６０３は、形状データを数値化してシミュレーション結果を反映した形状パラメータを検査指標として合否判定部６０４に送る。合否判定部６０４は、与えられた検査指標から検査対象パターンの検査合否判定をウェーハ単位で行い、検査パスとならなかった場合は、その情報をプロセスフロー管理部４０１へフィードバックする。

精度検証部６０６は、インラインデータ蓄積部４０２、形状解析部５０１、パターン解析結果数値化部５０２、シミュレーション結果数値化部６０３およびシミュレーションパラメータ調整部６０５に接続される。

精度検証部６０６は、インラインデータ蓄積部４０２から計測データの変動量や装置パラメータの変動量を送られ、それらの変動量がある閾値を超えたことを検知した場合にはシミュレーション精度検証が必要と判断し、ウェーハでの形状解析実施の命令を形状解析部５０１へ送る。また、精度検証部６０６は、図示しないタイマを含み、計測データの変動量や装置パラメータの変動量がある閾値を越えなくても一定期間が経過したタイミングで、ウェーハでの形状解析実施の命令を形状解析部５０１へ送る。

形状解析部５０１は、計測装置Ｍ１〜ＭＮに接続されており、外部装置（図示せず）による破壊的解析に加え、インラインで計測されるウェーハ計測データを利用して形状解析することが可能である。

形状解析部５０１で取得された形状データは、パターン解析結果数値化部５０２で数値データ化され、精度検証部６０６へ送られる。精度検証部６０６へはパターン解析結果数値化部５０２から与えられるパターン解析結果のデータと、シミュレーション結果数値化部６０３から与えられるシミュレーション結果のデータとを比較することにより、形状シミュレーションの精度評価を行う。評価の結果、形状シミュレーションの精度が不十分であると判定した場合は、精度検証部６０６がその情報をシミュレーションパラメータ調整部６０５へ与え、シミュレーションパラメータ調整部６０５はシミュレーションパラメータの調整を行う。以上の精度検証は十分な精度が得られるまで繰り返され、十分な精度が得られた段階でそのときのシミュレーションパラメータが形状シミュレーション部６０２へ与えられる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態による製造管理システムによれば、インライン計測データと形状シミュレーションとを用いるので、高アスペクト比などに起因して非破壊では困難であるパターン形状の検査が非破壊で可能になる。これにより、低コストでかつ高いスループットで半導体装置を製造することが可能になる。また、形状シミュレーションによって、検査指標に影響の大きい管理パラメータを抽出してインライン計測の重点箇所を事前に探知するので、効率的な製造工程管理が可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

４０１…プロセスフロー管理部、６０２…形状シミュレーション部、６０３…シミュレーション結果数値化部、６０４…合否判定部。

Claims

パターンの形状シミュレーションをモデリングする工程と、
前記パターンの製造工程において管理すべき管理パラメータをインラインで計測する工程と、
前記インラインでの計測結果を用いて前記形状シミュレーションを実行する工程と、
前記形状シミュレーションの結果に基づいてパターン形状の合否を判定する工程と、
を備えるパターン検査方法。
前記形状シミュレーションのパラメータの感度解析を行う工程をさらに備え、
前記管理パラメータは、前記感度解析の結果から抽出されることを特徴とする請求項１に記載のパターン検査方法。
前記パターンについて実際に基板上に形成した実パターンの形状を解析する工程と、
前記形状シミュレーションの結果と前記実パターン形状の解析結果から前記形状シミュレーションの精度を評価する工程と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のパターン検査方法。
前記形状シミュレーションの精度が不十分であると判断された場合に、前記形状シミュレーションのシミュレーションパラメータを調整する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３に記載のパターン検査方法。
外部の製造装置の製造工程を管理するプロセスフロー管理部と、
外部の計測装置に接続され、インラインでの計測データを与えられてパターンの形状シミュレーションを実行する形状シミュレーション部と、
前記形状シミュレーション部のシミュレーション結果から前記パターンの形状特徴を数値化して出力するシミュレーション結果数値化部と、
前記シミュレーション結果数値化部の出力データに基づいて前記パターンの合否を判定し、不合格の場合にその情報を前記プロセスフロー管理部に与える合否判定部と、
を備える製造管理システム。