JP3881521B2

JP3881521B2 - 半導体装置の製造プロセス評価方法

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Publication number: JP3881521B2
Application number: JP2001095968A
Authority: JP
Inventors: 智信野田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: US6671861B2; JP2002299396A; US20020144221A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置のレイヤ−レイヤ間におけるパターン合わせずれ評価を行う半導体装置の製造プロセス評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製品において、任意レイヤの配線パターンはその前後のレイヤのパターンと電気的に導通させるため、レイヤ−レイヤ間のパターンの重なりがある基準で満足している必要があり、従来から重なり合わせのずれ（以下、合わせずれ）の度合いを定量化して管理している。
【０００３】
従来の半導体装置のレイヤ−レイヤ間のパターン合わせずれ評価方法について説明する。
合わせずれ量の測定は、専用のパターンを用いて行う場合が一般的である。図１１には合わせずれ測定パターンの上面図を示す。
【０００４】
図１１（ａ）に示すように、パターン１，２を下層レイヤ、パターン３，４を上層レイヤに形成する。そして、図１１（ｂ）に示すように、パターン１間の中心点５とパターン３間の中心点６の距離を水平方向の合わせずれ量７、同様にパターン２間の中心点８とパターン４間の中心点９の距離を垂直方向の合わせずれ量１０を測定している。
【０００５】
実際の製品パターンで合わせずれを評価する場合は図１２に示すように、パターン１１真上から走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭ）画像を取得し、パターン１１の下からのぞいている下層レイヤパターン１２の寸法１３、１４を測定して評価を行っている。
【０００６】
現在、微細化により、専用パターンによる測定で得られた合わせずれ量は設計上では許容出来ていても、実際にはショートニング等により設計寸法とおりに加工されない場合もある。結局、実際の製品パターンでの検証が必要となるが、少なくとも対象となる複数レイヤのパターンを形成する必要があり、測定箇所がパターンレイアウトによっても異なるために寸法測定が煩雑であるという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、パターンの微細化に伴い、設計寸法と実際に露光を行って形成されたパターンが大きく異なるため、実際の製品パターンを用いて合わせずれの検証を行う必要があった。少なくとも対象となる複数レイヤのパターンを形成する必要があり、測定箇所がパターンレイアウトによっても異なるために寸法測定が煩雑であるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、評価対象となるレイヤを全て形成することなく、レイヤ−レイヤ間の合わせずれを評価することが可能な、半導体装置の製造プロセス評価方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
［構成］
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
【００１０】
（１）本発明に係わる半導体装置の製造プロセス評価方法は、半導体装置中のある層の配線パターンを撮影可能な試料から、配線パターンを撮影して、画像データを取得するステップと、前記配線パターンのＣＡＤデータの位置座標と、その他のレイヤのＣＡＤデータの位置座標とを相互にずらして、評価用ＣＡＤデータを形成するステップと、画像データ中の配線パターンと前記評価用ＣＡＤデータとを合成した合成データを形成するステップと、前記合成データから、前記画像データ中の配線パターンと、前記配線パターン以外のレイヤのＣＡＤデータ中のパターンとの重なり度を定量化するステップとを含み、前記合成データを形成するステップでは、配線パターン画像中の配線パターンの位置座標と、前記配線レイヤのＣＡＤデータとの位置座標とを一致させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の好ましい実施態様を以下に記す。
前記配線パターンのＣＡＤデータの位置座標と、その他のレイヤのＣＡＤデータの位置座標との相対的なずれ量は、実際の半導体製造プロセスにおける合わせずれ量を用いること。
配線パターン画像を取得するステップでは、前記配線レイヤのＣＡＤデータの座標位置に対して、座標位置が簡易的に合わされた、前記試料の低倍率画像と高倍率画像とを取得し、合成データを形成するステップでは、前記配線レイヤのＣＡＤデータに対して低倍率画像を相対的に移動させて、重ね合わせた二つレイヤ配線パターンが最も相似になる補正値を求めるステップと、求められた補正値に基づいて、該配線レイヤのＣＡＤデータに対して前記高倍率画像を相対的に移動させるステップとを含むこと。
【００１２】
複数のＣＡＤデータは、前記配線レイヤの上層又は下層のＣＡＤデータを含むこと。
【００１３】
［作用］
本発明は、上記構成によって以下の作用・効果を有する。
【００１４】
机上で合わせずれ量を任意に設定することが出来るため、評価サンプルは関連するレイヤ全て作成する必要はなく（単層で可）、評価サンプル作成の手間が軽減出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【００１６】
［第１実施形態］
（第１の実施形態）
本実施例では、ＣＡＤ・ナビゲーション・ツールとして測長ＳＥＭ（Ｃｈｉｐｓ２００：ＳＩＩ社製）とパターン形状評価ソフト（ＧｒａｄｅＳｃｏｐｅ：ＳＩＩ社製）とを用いている。
【００１７】
パターン形状評価ソフトは、測長ＳＥＭにより取得された製品パターンのＳＥＭ画像と、同一箇所のＣＡＤデータとを重ね合わせ、ＳＥＭ画像から抽出したパターンの輪郭を直線に近似した線分と、ＣＡＤデータの線分とが最も相似となるようにマッチングを行う。
【００１８】
マッチング方法を図１のブロック図を用いて説明する。画像Ａと画像Ｂとの２つの同じ画像をマッチングさせる場合、簡易パターンマッチング部１７により簡易的なパターンマッチングを行った後、観察箇所指定部１８にて観察箇所の位置に移動し、画像Ａ／Ｂ間シフト量測定部１９により観察箇所の画像Ａ／Ｂ間のシフト量を測定する。測定されたシフト量に基づいて最適シフト量決定部２０により最適なシフト量を決定し、簡易パターンマッチング補正部２１により補正を実行して、パターンマッチングが完了する。
【００１９】
次に、本実施形態の半導体装置のレイヤ−レイヤ間のパターン合わせずれ評価システムの構成を図２に示す。図２は、本発明の第１の実施形態に係わるパターン合わせずれ評価装置の概略構成を示すブロック図である。
【００２０】
又、図２に示すパターン合わせずれ評価システムの構成を、この装置を用いた評価方法の説明と共に説明を行う。図３は、図２に示すパターン合わせずれ評価システムを用いた評価方法を示すフローチャートである。
【００２１】
（ＳＴ１）
先ず、データ入力手段１０２により、対象となる評価サンプルの各レイヤのＣＡＤデータ１０１と、ＣＡＤデータに対応した位置座標をデータベース１０３に格納する。
【００２２】
（ＳＴ２）
レイヤ−レイヤ間の合わせずれを評価するため、測長ＳＥＭ１１０により画像取得が行われる配線レイヤと、配線レイヤに対するパターン合わせずれ評価を行うプラグレイヤとが指定されている情報が格納された評価対象レイヤ情報１０４を評価用ＣＡＤデータ作成手段１０５に入力する。
なお、配線レイヤに対してパターン合わせずれ評価を行うレイヤの数は１以上であれば良い。
ここで、画像取得を行うレイヤとしては、リソグラフィ技術によるパターン形成時にショートニングや太り、細りが生じやすく、実際のパターンとＣＡＤデータとが異なる配線レイヤを用いることが好ましい。
本実施形態では、配線レイヤに対する、該レイヤの１層上のプラグレイヤのパターン合わせずれ評価を行う場合を説明する。
【００２３】
（ＳＴ３）
次いで、評価用ＣＡＤデータ作成手段１０５では、入力された評価対象レイヤ情報１０４を参照して、データベース１０３から合わせずれ評価対象である配線レイヤ及びプラグレイヤのＣＡＤデータ読み出す。そして、読み出された二つのＣＡＤデータを合成した合わせずれ評価用ＣＡＤデータを作成する。ここで合わせずれ評価用ＣＡＤデータとは、図４に示すように、下層の配線レイヤのパターン３０ａ，３０ｂと上層のプラグレイヤのパターン３１とを相対的にシフトさせて合成したデータのことである。
下層の配線レイヤのパターン３０ａ，３０ｂと上層のプラグレイヤのパターン３１とを、相対的にシフトさせずに合成したＣＡＤデータを図５に示す。
【００２４】
図４に示すように、合わせずれ評価用ＣＡＤデータを作成する際、レイヤとレイヤとの垂直方向シフト量３２及び水平方向シフト量３３は、実際に生じる合わせずれ量のメディアン値や最大合わせずれ量である。これらのシフト量は評価対象レイヤ情報１０４に含ませておく。
【００２５】
（ＳＴ４）
次いで、パターン形状評価を行いたいパターン座標データ及び、判定基準１０６をパターンマッチング部１０７に入力すると共に、撮影対象となる配線レイヤのＣＡＤデータ、及びパターン形状評価を行いたいパターン座標データを測長ＳＥＭ１１０に入力する。
【００２６】
（ＳＴ５）
評価サンプル１２０を測長ＳＥＭ１１０の試料室にセッティングする。評価サンプル１２０のセッティングは、ＳＴ４以前であってもかまわない。尚、評価サンプル１２０としては、画像取得を行いたい配線が形成されていれば良く、基板上に対象となるレイヤのみを形成したものであっても良い。
【００２７】
（ＳＴ６）
測長ＳＥＭ１１０では、ＳＴ４で入力された配線レイヤのＣＡＤデータと評価サンプルと表面に観察される配線パターンとのパターンマッチングを簡易的に行う。このステップでの目的は、評価するパターンのＳＥＭ画像を取得するため、評価サンプル上の座標位置とＣＡＤデータの座標位置を簡易的に合わせ、測長ＳＥＭの視野内に、評価対象のパターンが含まれるようにするために行う。また、この簡易的なパターンマッチングにより、測長ＳＥＭ１１０の視野内にＣＡＤデータに対する位置座標に対応した位置座標を付与する。
【００２８】
（ＳＴ７）
次いで、測長ＳＥＭ１１０により評価を行いたい領域のＳＥＭ画像を取得し、取得されたＳＥＭ画像のデータと、ＳＴ６でＳＥＭ画像データに付与された位置座標とをリンクさせて再びデータベース１０３に格納する。ここで、取得するＳＥＭ画像は低倍率ＳＥＭ画像（約×５ｋ，図６）と高倍率ＳＥＭ画像（約×３０ｋ，図７）との少なくとも２種類の倍率の画像を取得する。ここでのＳＥＭ画像のデータとは、ＳＥＭ画像から抽出した配線パターンの輪郭を直線に近似した線分のデータのことである。図６，７において、３４ａは配線パターン、３４ｂはアイランドパターンである。
【００２９】
（ＳＴ８）
次いで、取得された二つの倍率のＳＥＭ画像データをパターン形状評価システム１００に入力し、パターンマッチング部１０７により、取得されたＳＥＭ画像データと合わせずれ評価用ＣＡＤデータ中の画像取得レイヤとのパターンマッチングを行い、ＣＡＤデータの位置座標に対して画像データに対してＳＴ６で付与された位置座標を補正する。
【００３０】
このパターンマッチングにおいては、図８に示すように、低倍率ＳＥＭ画像データと等倍の合わせずれ評価用ＣＡＤデータとを用い、視野内全ての配線パターンが相似的に配置され、ＣＡＤデータ中のパターンと低倍率画像データ中の配線パターンとが最適なシフト量を計算する。
【００３１】
（ＳＴ９）
次いで、ＳＴ８で求められたシフト量に基づいて、図９に示すように、高倍率のＳＥＭ画像データと合わせずれ評価用ＣＡＤデータとを合成した画像の作成・表示を行う。
【００３２】
ＳＴ８，９において、２種類の倍率の画像データを用いて合成を行う理由を以下に説明する。観察対象パターン形状にショートニング等が生じており、ＣＡＤデータのパターンと実際の観察対象パターンとが異なる場合、高倍率のＳＥＭ画像データで評価対象パターンのみでパターンマッチングを行うとそのパターンでバランスが良いシフト量が計算されてしまい異常形状認識が困難になるため、マッチングは低倍率の画像で対象以外のパターンも含めてバランスの良いシフト量を計算する必要がある。
【００３３】
（ＳＴ１０）
次いで、形状評価部１０８では、ＳＴ９で合成された画像を用いて、観察箇所の測長を行い、測長結果から形状判定を行う。
例えば、図１０では画像取得レイヤのアイランドパターン３４ｂに対し、合わせずれが生じた上層レイヤのパターン３１が重なる部分の面積と、水平方向シフト量３５及び垂直方向シフト量３６を測定し形状の判定を行う。
【００３４】
（ＳＴ１１）
ＳＴ１０の判定の結果は、結果出力部１０９から、上層レイヤ−下層レイヤ間の合わせずれ量管理値や上層レイヤのパターン寸法、形状変更などにフィードバックする。
【００３５】
なお、本実施形態では、配線レイヤとプラグレイヤとを合成した合わせずれ評価用ＣＡＤデータを作成した後、ＳＥＭ画像データと評価用ＣＡＤデータとを合成したが、配線レイヤのＣＡＤデータと配線レイヤのＳＥＭ画像データとを合成し、合成したデータに更にプラグレイヤのＣＡＤデータを合成しても良い。
【００３６】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態における、合わせずれ評価用ＣＡＤデータの作成するステップ（ＳＴ３）において、実際の製造プロセスでのデータのバラツキ度合い分布に基づいて、ランダムに発生させた合わせずれ量を載せた合わせずれ評価用ＣＡＤデータを１観察パターンあたり１００〜２００データ作成する。そして、各合わせずれ評価用ＣＡＤデータに対して画像取得された配線レイヤを合成して合わせずれ評価を行う。
【００３７】
得られた合わせずれ評価結果から合わせずれを許容出来る確率が得られることから、統計的手法を用いた合わせずれスペックを決定することが出来る
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、
ＬＳＩ全部の半導体装置に適用可能。
【００３８】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、机上で合わせずれ量を任意に設定することが出来るため、評価サンプルは関連するレイヤ全て作成する必要はなく（単層で可）、評価サンプル作成の手間が軽減出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＥＭ画像と、同一箇所のＣＡＤデータとのマッチング方法を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態に係わる半導体装置のレイヤ−レイヤ間のパターン合わせずれ評価システムの構成を示すブロック図。
【図３】図２に示すパターン合わせずれ評価システムを用いた評価方法を示すフローチャート。
【図４】配線レイヤのパターンと上層のプラグレイヤのパターンとを相対的にシフトさせて合成した、合わせずれ評価用ＣＡＤデータの概略を示す図。
【図５】配線レイヤのパターンと上層のプラグレイヤのパターンとを、相対的にシフトさせずに合成したＣＡＤデータを示す図。
【図６】低倍率ＳＥＭ画像の概略を示す図。
【図７】高倍率ＳＥＭ画像の概略を示す図。
【図８】低倍率ＳＥＭ画像データと等倍の合わせずれ評価用ＣＡＤデータとを重ね合わせて得られる画像の概略を示す図。
【図９】高倍率のＳＥＭ画像データと合わせずれ評価用ＣＡＤデータとを合成して得られる画像の概略を示す図。
【図１０】図９に示す画像から合わせずれ評価方法の説明に用いる図。
【図１１】合わせずれ測定パターンの概略を示す平面図。
【図１２】合わせずれ測定パターンを用いた合わせずれ評価方法の説明に用いる図。
【符号の説明】
１００…パターン形状評価システム
１０１…ＣＡＤデータ
１０２…データ入力手段
１０３…データベース
１０４…評価対象レイヤ情報
１０５…ＣＡＤデータ作成手段
１０６…判定基準
１０７…パターンマッチング部
１０８…形状評価部
１０９…結果出力部
１１０…測長ＳＥＭ
１２０…評価サンプル

Claims

半導体装置中のある層の配線パターンを撮影可能な試料から、配線パターンを撮影して、画像データを取得するステップと、
前記配線パターンのＣＡＤデータの位置座標と、その他のレイヤのＣＡＤデータの位置座標とを相互にずらして、評価用ＣＡＤデータを形成するステップと、
画像データ中の配線パターンと前記評価用ＣＡＤデータとを合成した合成データを形成するステップと、
前記合成データから、前記画像データ中の配線パターンと、前記配線パターン以外のレイヤのＣＡＤデータ中のパターンとの重なり度を定量化するステップとを含み、
前記合成データを形成するステップでは、配線パターン画像中の配線パターンの位置座標と、前記配線レイヤのＣＡＤデータとの位置座標とを一致させることを特徴とする半導体装置の製造プロセス評価方法。
前記配線パターンのＣＡＤデータの位置座標と、その他のレイヤのＣＡＤデータの位置座標との相対的なずれ量は、実際の半導体製造プロセスにおける合わせずれ量を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造プロセス評価方法。
配線パターン画像を取得するステップでは、前記配線レイヤのＣＡＤデータの座標位置に対して、座標位置が簡易的に合わされた、前記試料の低倍率画像と高倍率画像とを取得し、合成データを形成するステップでは、前記配線レイヤのＣＡＤデータに対して低倍率画像を相対的に移動させて、重ね合わせた二つレイヤ配線パターンが最も相似になる補正値を求めるステップと、求められた補正値に基づいて、該配線レイヤのＣＡＤデータに対して前記高倍率画像を相対的に移動させるステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造プロセス評価方法。
複数のＣＡＤデータは、前記配線レイヤの上層又は下層のＣＡＤデータを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造プロセス評価方法。