JP4510327B2 - Ｃａｄ情報に基くレイヤ合わせずれ評価方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス製造工程におけるレイヤ合わせズレを評価する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造（以下これを単に半導体製造と略称する。）は、まず、半導体のパターンを設計してこれをＣＡＤデータとして記憶蓄積する。これに基いてフォトマスクが作られるが、半導体素子は単体毎に製造されるのではなく、一枚の半導体ウエハ上に多数のデバイスが同時に形成されてゆく。したがって、そのためのフォトマスクには一枚の半導体ウエハ上に作られるデバイスと同じ数のパターンが描き込まれることになるが、同じ画像を単純に配列したマスクでウエハを焼き付けた場合、ウエハの中央部と周縁部では完全に同じ回路パターンが写ることはない。それは光学系の収差等が影響して必然的に歪みを伴うからである。したがって、転写されたウエハ上の全ての領域において回路構成が正常となるように回路パターンには、実際に転写に使われる光学系の歪みを考慮して安全率を見込んだマージンをとったパターン設計がなされる。このパターン転写は一層ではなくウエハの厚さ方向に何層にも亘って重ねられ実行される。そして異なる層のパターンは異なるマスクによって転写され形成されるものであり、個々のデバイスにおいて回路を構成するためにその異なる層のパターン間の結線も必要となる。したがって、この異なるマスク間のパターン形状とその位置関係は半導体デバイスの製造において重要な歩留まり要件となる。しかも上述したようにウエハ上には多数のデバイスが形成されることになるが、その中心部でも周縁部でもそれぞれのパターンの形状とお互いの位置関係が設計規格の許容範囲（マージン内）に収まるようにする必要がある。特にマスクはそれを基に大量の半導体製造がなされるものであるから、その仕上り精度は製品の歩留まりに直接影響する重要事項である。
【０００３】
従来、半導体製造工程でのウエハパターン形状依存の歩留まり管理は測長ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて行っている。この方法は製造工程におけるその工程毎にパターン形状をＳＥＭによって測長し、パターンの形状をチェックすることで歩留まり管理を行うものである。この方法はその都度その都度のパターン形状はチェックできるのであるが、その後の工程で形成されるパターンとの整合については評価できないため、この点については最終工程終了後に電気的測定等にて工程間に亘るパターン不良を含む綜合評価の中で行っているのが現状である。最終工程まで済ませた後で行うこの評価は、どの工程のどの部分に不良個所ができているのかその特定が困難であるため、必要な修正作業に多大の時間と労力が費やされている状況がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、半導体デバイスの製造工程において、早期段階での歩留り改善指示をおこなえるようにするために、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターンが後工程のパターンとの相対位置関係を含めて設計許容範囲にあるか否かを判定できる機能を備えたレイヤ合わせずれ評価装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のＣＡＤ情報に基くレイヤ合わせずれ評価装置は、ＣＡＤデータを蓄積する手段と、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターンの走査顕微鏡画像と前記蓄積手段から読み出した設計ＣＡＤ画像とを重ねて表示する機能を有し、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターン画像と該パターンの設計ＣＡＤ画像とを重ねて表示することにより該パターン形成の良否を評価する機能に加え、後工程で形成されるパターンの設計ＣＡＤ画像を重ねて表示することにより後工程で形成されるパターンとの形状・位置関係についても形成の良否を評価できる機能を備えるようにした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
パターン形成の良否を評価するウエハパターン観察装置は、ウエハ上に形成されたパターンのうち数〜数十μｍ角程度の面積内にある観察対象パターン部分を高倍率で拡大して観察するものであるから、ウエハパターン観察装置の観察視野はウエハパターン上の所望の観察位置に高精度に位置合わせされることが必要である。そこで、従来においては、この位置合わせのためのナビゲーション方法としてＣＡＤ装置を用いて観察対象を特定する所謂ＣＡＤナビゲーションが一般的に用いられているところであるが、近年における半導体製造技術の発展によりウエハ上に形成されるパターンの寸法はサブミクロンオーダとなっており、このような超微細パターンを観察するために数万倍の高倍率を有するウエハパターン観察装置が用いられるようになってきている。
【０００７】
本発明は、このＣＡＤナビゲーション機能を備えたウエハパターン観察装置を用いるものであって、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターンの走査顕微鏡画像と蓄積手段から読み出した設計ＣＡＤ画像とを重ねて表示する機能を有しており、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターン画像と該パターンの設計ＣＡＤ画像とを重ねて表示することにより該パターン形成の良否を評価する機能を有しているだけでなく、後工程で形成されるパターンの設計ＣＡＤ画像を前記蓄積手段から抽出して読出し、現在の顕微鏡画像に重ねて表示することができる機能を備えるようにして、形成された現状パターンと後工程で形成されることになるパターンとの形状・位置関係についてもチェックし評価できるようにするものである。既に形成されたパターンが設計パターンの許容範囲にあるか否かを単にチェックするだけでなく、後工程で形成されることになるパターンとの形状・位置関係についても事前のチェックが行えるようにした点に本発明の特徴がある。形状欠陥を早い時点で把握出来ることで着目パターンの形成工程に改善指示をフィードバックし、以降の欠陥発生を未然に防止することができる。また、この時点で得た形状欠陥情報は後工程におけるパターンの位置修正などの形でフィードフォアし、製品の歩留り向上に反映することも出来るし、パターンの修正加工を行ったり、マスクパターンそのものの設計変更へ反映させることもできる。これらの対処がとれることは何れもデバイスの歩留り向上に寄与することになる。
【０００８】
図１のＡはウエハ上の１チップ内のあるパターンを特定した高倍率顕微鏡画像であり、ＢはそのパターンのＣＡＤ画像である。この２つの画像をディスプレイ上に重ねて表示したのが図のＣである。この例で見るパターン画像は角部が落ちているだけで設計ＣＡＤ画像とよく整合していることが見て取れる。なお、角部が落ちる現象はフォトリソグラフィの分野では周知の現象であり、当初からこの変形は見込まれている。さて、この観察で形成されたパターンがＣＡＤ画像と整合し適正形状であることが判ったが、これが後工程で形成されるパターンとの関係でも適正であるか否かが図２に示す画像で観察される。図２のＡは着目パターンに次工程以降に形成されることになっているパターンを重ねて表示したＣＡＤ画像であり、Ｂは現時点の形成パターン上に該ＡのＣＡＤ画像を重ねてディスプレイに表示させた画像である。この図１、図２に採用したパターンはＬ字形のメタル層の上層に矩形の第２メタル層が形成され両メタル層の端部において両パターンを短絡させるビア層が形成される設計となっているものである。図２のＢで観察すると、後工程の第２メタル層のＣＡＤ画像は既に形成された第１メタル層の上に重なり、両メタル層を短絡するビア層のＣＡＤ画像も両メタル層の重なり領域に位置している。この第１メタル層の形成は後工程のパターンとの位置関係においても適正であることが判る。
【０００９】
多数のチップが同時に製造される実際の半導体製造工程においては、パターン形成が不適正であるチップが混在し、不適なパターンに対しては不適性を解消する対応が必要とされる。図３のIに示したものは第１メタル層と第２メタル層とを短絡させるビア層のＣＡＤパターンと、異なるチップ（Ａ，Ｂ，Ｃ）において形成された第１メタル層の観察像から抽出したパターン輪郭線を重ねて表示したものである。Ａの第１メタル層パターンは設計どおりに形成されており、ビア層との接触率は100％と良好である。Ｂの第１メタル層パターンは設計ＣＡＤ図形に対して小さめに形成されており、ビア層との接触率は50％以下である。Ｃの第１メタル層パターンとなると設計ＣＡＤ図形に対してはるかに小さく形成されており、ビア層との接触率は０％となっている。これでは第１メタル層と第２メタル層とは導通をとることができず、このまま製造されればこのチップは欠陥デバイスとなる。デバイスの歩留まりはこの第１メタル層とビア層との接触率と対応関係が認められ、データからは図３のIIにグラフで示したような関係となった。
【００１０】
次に本発明の実施の形態と処理フローについて図４を参照しながら説明する。図４は本発明で用いられる装置の基本構成を示すブロック図で、１は所望位置の観察視野を特定するためのナビゲーション装置である。このナビゲーション装置１は、本発明者が先に出願した特願2000-214846号「半導体装置のパターン観察のためのナビゲーション方法と装置」に提示したもの、すなわち、ステージにセットされた半導体装置のパターンの所定箇所をパターン観察装置で高倍率に拡大して観察するため、「所定箇所を指定するための指定手段と、パターンに対応するＣＡＤデータを格納しておくためのメモリ手段と、前記指定手段に応答し前記所定箇所の観察中心が観察視野に入るような低倍率にて前記パターン観察装置の観察位置合わせを行って半導体装置の低倍率パターン画像データを得る低倍率パターン画像データ取得手段と、前記低倍率パターン画像データに基づきパターンのエッジ抽出を行ってエッジ線分データを取り出す手段と、前記指定手段と前記メモリ手段とに応答し前記低倍率パターン画像データに対応するＣＡＤ線分データを得る手段と、前記ＣＡＤ線分データと前記エッジ線分データとを比較して前記観察中心と観察視野の中心との間のずれ量を演算する手段と、前記ずれ量に基づいて前記ステージのステージ誤差を補償し前記観察中心と前記観察視野の中心とを一致させるよう位置制御を行う手段とを備えた」ナビゲーション装置を用いる。
【００１１】
11はナビゲーションの指示を行うＣＡＤ装置であって、12はパターン情報を格納するＣＡＤ記憶部である。13は低倍率パターン画像データ取得部で、ナビゲーション指示部となるＣＡＤ装置11から観察箇所を指定されると、それにより出力される指示信号S11に応答して位置設定信号S1を出力して、試料ステージ２の位置決めが実行される。一方、倍率設定信号S12に応答してパターン観察装置３が低倍率に設定され、パターン観察装置で得られた低倍率パターン画像データD1がパターン画像データ取得部13に送られ、画像メモリ14に格納される。そして、エッジ抽出部15において画像メモリ14に格納されている低倍率パターン画像データに基づいてエッジ抽出処理が行われ、エッジ線分データD2が出力される。
一方、ＣＡＤ線分データ切出部16では、ナビゲーション指示部11からの指示信号S11に応答し、指示された観察箇所に相応したＣＡＤ線分データD3がＣＡＤ記憶部12から読み出され、バッファメモリ17に格納される。比較マッチング部18では、エッジ抽出部15からのエッジ線分データD2とバッファメモリ17からのＣＡＤ線分データD3とが比較され、マッチング処理が実行されてずれ量が演算される。比較マッチング部18で得られたずれ量を示すずれ量データD4はステージ位置補正部19に送られ、ここで低倍率パターン画像における観察中心とパターン観察装置３の実際の観察視野の中心とを一致させるようにステージ２を移動させるための位置補正信号S2が作られ、位置制御ユニット７に送られる。以上がステージにセットされた半導体装置４のパターンの所定箇所をパターン観察装置で高倍率に拡大して観察するため半導体装置のパターン観察のためのナビゲーション動作である。この位置決めによって所定箇所の高倍率画像が画面中心に捉えられるので、顕微鏡の倍率を高倍率に変更し、本発明を実行する。
【００１２】
高倍率画像を取得してパターン画像データ取得部13に送り、画像メモリ14に格納する。そして、エッジ抽出部15において画像メモリ14に格納されている高倍率パターン画像データに基づいてエッジ抽出処理が行われ、エッジ線分データD2が出力される。他方、所定箇所のＣＡＤ線分は切り出されてバッファメモリ17に格納されているので、両線分画像をパターン観察装置３に重ねて表示する。この位置関係は先のナビゲーションにより精確に合わされているので、画面上でズレ量の測定を実行する。そして、例えば、エッジ線分データにあたる第１メタル層の輪郭線が図３に示したようにＡ，Ｂ，Ｃといった輪郭線で得られたならば、ＣＡＤ線分画像とのズレ量に応じて着目パターンの評価を行う。また、図２のＢに示したようなパターン顕微鏡画像にそのＣＡＤ画像と次工程における関係パターンのＣＡＤ画像を重ねてパターン観察装置３に表示し位置関係の整合を評価する。これらの評価作業は特定したチップ内の所定パターンに対して、また、ウエハ上の中央部周辺部といった各領域から適宜のサンプルチップを選定して実行する。このサンプルに対して行った評価結果は、図５に示したようなウエハのマップ表示の形態でパターン観察装置３に表示することができる。因みに図５中の矩形は観察評価したパターンの位置とその部分のズレ量を表示している。
【００１３】
【発明の効果】
本発明のＣＡＤ情報に基くレイヤ合わせずれ評価方法は、設計ＣＡＤデータを蓄積しておき、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターンの電子顕微鏡画像と前記蓄積された設計ＣＡＤ画像を読み出して重ねてディスプレイに表示することにより該パターン形成の良否を評価すると共に、後工程で形成される該パターンと関連する他のパターンの設計ＣＡＤ画像とを重ねて表示することにより後工程で形成される他のパターンとの相対関係についての該パターン形成の良否を評価するようにしたので、半導体の各製造工程においてパターン形成の良否がその都度その都度確認でき、欠陥に対して早期段階での改善指示をおこなうことができるため、歩留り向上に顕著な効果をもたらすものである。この欠陥の早期発見はマスク修正等により着目パターン形成改善に反映できるだけでなく、基礎となるＣＡＤ図形の設計変更や、後工程で形成される他のパターンの位置調整にも反映させることができ、半導体デバイスの歩留まり向上に一層の効果を期待できる。
【００１４】
本発明のＣＡＤ情報に基くレイヤ合わせずれ評価装置は、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターンの電子顕微鏡画像と前記蓄積された設計ＣＡＤ画像を読み出して重ねてディスプレイに表示して該パターン形成の良否を評価するに際し、顕微鏡画像から輪郭線分を抽出する手段を備え、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターン画像はこの輪郭線分抽出手段によって抽出したパターン輪郭線分を採用するようにしたので、顕微鏡画像そのものとの比較より顕微鏡視野における位置決めやＣＡＤ情報に基くレイヤ合わせずれ評価が容易に実行できるものである。
また、所定箇所のパターン画像を高倍率の顕微鏡で視野内中心に捉えるために、位置情報に基くステージ制御で低倍率顕微鏡画像を得る手段と、該低倍率顕微鏡画像上でＣＡＤ線分情報とマッチング処理によりズレ量を算出する手段と、該演算されたズレ量に基いてステージの位置決めを実行する手段とからなるナビゲーション装置を備えたことにより、所定箇所の着目パターンを高倍率の顕微鏡画像として容易に捉えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】着目パターンの高倍率顕微鏡画像であり、Ａはウエハ上に形成されたあるパターン画像、ＢはそのパターンのＣＡＤ画像で、Ｃはこの２つの画像をディスプレイ上に重ねて表示したものである。
【図２】着目パターンの高倍率顕微鏡画像であり、Ａは着目パターンに次工程以降に形成されることになっているパターンを重ねて表示したＣＡＤ画像であり、Ｂは現時点の形成パターン上にＡに示したＣＡＤ画像を重ねてディスプレイに表示させたものである。
【図３】 Iは第１メタル層と第２メタル層とを短絡させるビア層のＣＡＤパターンと、異なるチップ（Ａ，Ｂ，Ｃ）において形成された第１メタル層の観察像から抽出したパターン輪郭線を重ねて表示したものであり、IIは第１メタル層とビア層との接触率とデバイスの歩留まりとの対応関係を示すグラフである。
【図４】本発明で用いられる装置の基本構成を示すブロック図である。
【図５】本発明によって評価した結果を、ウエハマップとして表示した例を示す図である。
【符号の説明】
１ ナビゲーション装置 18 比較マッチング部
11 ＣＡＤ装置 19 ステージ位置補正部
12 ＣＡＤ記憶部 ２ ステージ
13 パターン画像データ取得部 ３ パターン観察装置
14 画像メモリ （ディスプレイ）
15 エッジ抽出部 ４ 試料（ウエハ）
16 ＣＡＤ線分データ切出部 ７ 位置制御ユニット
17 バッファメモリ S1,S11,D1,D2,D3 信号

Claims (4)

1. 設計ＣＡＤデータを蓄積しておき、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターンの電子顕微鏡画像と前記蓄積された設計ＣＡＤ画像を読み出して重ねてディスプレイに表示することにより該パターン形成の良否を評価すると共に、後工程で形成される該パターンと関連する他のパターンの設計ＣＡＤ画像とを重ねて表示することにより、後工程で形成される他のパターンとの相対関係についての該パターン形成の良否を評価するようにしたＣＡＤ情報に基くレイヤ合わせずれ評価方法。
2. 設計ＣＡＤデータを蓄積する手段と、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターンの走査顕微鏡画像と前記蓄積手段から読み出した設計ＣＡＤ画像とをディスプレイに重ねて表示させる手段を有し、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターン画像と該パターンの設計ＣＡＤ画像とを重ねて表示することにより該パターン形成の良否を評価すると共に、後工程で形成される該パターンと関連する他のパターンの設計ＣＡＤ画像とを重ねて表示することにより後工程で形成される他のパターンとの相対関係についても該パターン形成の良否を評価できるようにしたＣＡＤ情報に基くレイヤ合わせずれ評価装置。
3. 顕微鏡画像から輪郭線分を抽出する手段を備え、ウエハ上に形成された半導体デバイスのパターン画像は前記輪郭線分抽出手段によって抽出したパターン輪郭線分である請求項２に記載のＣＡＤ情報に基くレイヤ合わせずれ評価装置。
4. 所定箇所のパターン画像を高倍率の顕微鏡で視野内中心に捉えるために、位置情報に基くステージ制御で低倍率顕微鏡画像を得る手段と、該低倍率顕微鏡画像上でＣＡＤ線分情報とマッチング処理によりズレ量を算出する手段と、該演算されたズレ量に基いてステージの位置決めを実行する手段とからなるナビゲーション装置を備えた請求項２または３に記載のＣＡＤ情報に基くレイヤ合わせずれ評価装置。

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