JP4976681B2 - パターン形状評価方法およびパターン形状評価プログラム - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置のパターンの形状に異常があるか否かを評価するパターン形状評価方法およびパターン形状評価プログラムに関する。

半導体デバイスのパターンを評価する手法として、従来は、取得したパターン画像からパターン幅を測定して、その測定値を予め設定した設計値と比較してパターンの評価を行っていた。ところが、パターンの形状が複雑な場合、一箇所のみでパターン幅を測定しただけでは、パターンの形状に異常があるかどうかを正確に判断できないため、測定点数を増やさなければならず、測定のスループットが下がってしまう。

この問題を解決するために、パターン形状の許容範囲を予め設定しておき、パターン画像から得られる輪郭データが許容範囲内にあるかどうかを判断してパターンの評価を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。

半導体デバイスのパターンは微細化する傾向にあり、露光波長以下でリソグラフィを行ってパターンを形成するのが一般的になりつつある。したがって、パターンが微細化するほど、設計データと実際のパターンとで形状にずれが生じやすくなり、実際のパターンは、設計データの形状と比べてかなり歪んでいる。特にパターンの角部は、設計データとの誤差が大きくなりやすく、露光時にマスクパターンの形状を正確に転写できない可能性がある。

通常は、パターンの中で、位置や幅等の精度を要求する部分は一部だけであり、それ以外の部分はパターンの形状が許容範囲から外れてしまっても、実用上の問題は特に起きない。ところが、パターンの微細化が進むと、上述したようにパターンの形状誤差が大きくなるため、本来は重要でない部分で許容範囲から外れてしまい、結果としてパターンの欠陥と判断されることが多くなり、製造歩留まりが低下してしまう。このような問題に対する解決策を上記特許文献１は何ら開示していない。

一方、パターン内で特定の領域を指定して、その領域内でパターン形状の評価を行う技術も開示されている（特許文献２参照）。ところが、特許文献２は、手動で領域を指定しており、パターン内のどの領域で評価を行うのが望ましいかについては開示も示唆もなく、パターン形状の評価を精度よく行える保証はない。
特開2005-98885号公報 特開昭61-80011号公報

本発明は、パターンの評価を簡易かつ精度よく行うことができるパターン形状評価方法およびパターン形状評価プログラムを提供することにある。

本発明の一態様によれば、半導体装置のパターンの設計データに、前記パターン内の特定の評価領域に関する情報を付加した評価領域付き設計データを取得するステップと、前記パターンの画像を取得するステップと、前記パターンの画像に基づいて、前記パターンの輪郭データを生成するステップと、前記評価領域付き設計データと前記輪郭データとの位置あわせを行うステップと、位置合わせ終了後に、前記評価領域内で前記パターンの形状を評価するステップと、を備えることを特徴とするパターン形状評価方法が提供される。

また、本発明の一態様によれば、半導体装置の下層パターンおよび上層パターンの設計データに、前記下層パターンまたは前記上層パターン内の特定の評価領域に関する情報を付加した評価領域付き設計データを取得するステップと、前記下層パターンおよび前記上層パターンが同時に観察された画像を取得するステップと、取得した前記下層パターンおよび前記上層パターンの画像に基づいて、前記下層パターンおよび前記上層パターンの輪郭データを生成するステップと、前記下層パターンの輪郭データと前記評価領域付き設計データとの位置合わせを行うステップと、位置合わせ終了後に、前記評価領域内で前記下層パターンおよび前記上層パターンの少なくとも一方の形状を評価するステップと、を備えることを特徴とするパターン形状評価方法が提供される。

本発明によれば、パターンの評価を簡易かつ精度よく行うことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るパターン形状評価装置の概略構成を示すブロック図である。図１のパターン形状評価装置は、設計データ記憶部１と、評価領域生成部２と、パターン画像取得部３と、パターン輪郭検出部４と、データ合成部５と、パターン形状計測部６とを備えている。

設計データ記憶部１は、半導体デバイスのパターンの設計データを記憶する。この設計データは、不図示の設計データ生成部により生成される。設計データ生成部は、所望の電気特性をもつ半導体デバイスが得られるまでデバイスシミュレーションを繰り返し、最終的に設計データを生成する。なお、設計データ生成部は、図１のパターン形状評価装置に内蔵しておく必要はなく、例えばデバイスメーカから設計データのみを提供してもらって、設計データ記憶部１に記憶してもよい。

評価領域生成部２は、パターンの中で形状評価を行うべき一部の領域（以下、評価領域１１）を設定し、設定された評価領域１１の位置情報を設計データ１２に合成させた評価領域付き設計データを生成する。評価領域１１は、例えばデバイスの動作上重要な部分であり、より具体的には、複数のパターンが重なり合う領域などである。

図２（ａ）はパターン内に設定される評価領域１１の一例を示す図、図２（ｂ）は図２（ａ）のパターンに対応するＳＥＭにより得られたパターン画像１３を示す図、図２（ｃ）はパターン画像１３から抽出された輪郭データ１４を示す図である。図２（ｂ）のパターン画像１３内のハッチング領域は、パターン画像１３内の（より正確にはパターンのテーパー角度）や材質の違い等により輝度差が生じたことを示している。

図２（ａ）の例では、Ｔ字状のパターンの対称位置に２つの評価領域１１を設定している。図２（ａ）の評価領域１１は矩形状であるが、評価領域１１の形状には特に制限はなく、多角形、円および楕円など、任意の形状が適用可能である。形状が複雑な評価領域１１であっても設定できることは、本実地形態の特徴の一つである。

評価領域１１の設定作業は、作業者がパターン画像１３を表示装置に表示させて、目視で行ってもよいが、半導体デバイスの動作上最も重要な箇所を自動判別して、全自動で評価領域１１を設定してもよい。

あるいは、パターン欠陥が起きる要因となるリソグラフィの結果を予測するシミュレーション（以下、リソグラフィ・シミュレーション）を行った結果に基づいて、パターンの変形が大きいと予想される箇所（ホットスポット）に評価領域１１を設定してもよい。この場合、リソグラフィ・シミュレーションの結果に基づいて自動的に評価領域１１を設定可能となる。

設計データ１２のデータ形式は例えばＧＤＳデータである。データ形式は特にＧＤＳデータに限らないが、ＧＤＳデータを収納するＧＤＳファイル内には、パターンのデータと評価領域の位置情報が別個のレイヤに入っており、以下の利点がある。（１）パターンとの位置関係を把握しやすい。（２）多層レイヤ間のＡＮＤの領域を把握しやすい。（３）レイヤ番号で評価領域とパターンを識別できるため、取り扱いが容易である。

データ合成部５は、パターン輪郭検出部４が検出した輪郭データ１４と評価領域付き設計データとの位置合わせを行う。そして、パターン形状計測部６は、位置合わせされた輪郭データ１４と評価領域付き設計データに基づいて、評価領域１１内でパターン形状の評価を行う。

図３は図１のパターン形状評価装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに基づいて、本実施形態の処理動作を説明する。まず、パターン画像取得部３は半導体デバイスのパターン画像１３を取得する（ステップＳ１）。パターン画像１３を取得する先は特に問わない。例えばＳＥＭでもよいし、他のパターン画像取得装置でもよい。

次に、パターン輪郭検出部４は、取得したパターン画像１３に基づいてパターンのエッジを抽出して、輪郭データ１４を生成する（ステップＳ２）。ここでは、パターン画像１３内でパターンエッジが白く光ることを利用して輝度差を検出することによりエッジを抽出する。

ステップＳ１およびＳ２の処理に前後して、評価領域生成部２は、取得した設計データ１２に評価領域１１を合成して評価領域付き設計データを生成する（ステップＳ３）。

次に、データ合成部５は、輪郭データ１４と評価領域付き設計データとの位置合わせを行って（ステップＳ４）、評価領域１１を輪郭データ１４上で重ね合わせる（ステップＳ５）。図４（ａ）は図２（ｂ）のパターン画像１３に対応する輪郭データ１４と評価領域付き設計データとの位置合わせを行って両者を重ね合わせた例を示している。

次に、パターン形状計測部６は、評価領域１１内でパターンの形状評価を行う。より具体的には、パターンの形状誤差の許容範囲を示す公差データ１５を設定して、評価領域１１内で輪郭データ１４が公差データ１５の範囲内に入っているか否かを判定する（ステップＳ６）。

図４（ｂ）は評価領域１１付きの輪郭データ１４と公差データ１５とを重ね合わせた例を示す図である。この図では、公差データ１５を細点線で示している。図示のように、公差データ１５は、パターンの形状誤差の最大限度を表す上限データと、最小限度を表す下限データとを含んでいる。これら上限データと下限データは、評価領域付き設計データを基準として設定される。より具体的には、設計データ１２よりも所定割合（割合の程度はパターンの場所により変化する可能性がある）だけ大きい形状を上限データとし、設計データ１２よりも所定割合だけ小さい形状を下限データとする。

評価領域１１内の輪郭データ１４が公差データ１５と交差していればＮＧ（形状異常あり）と判断し、交差していなければＯＫ（形状異常なし）と判断する。図４（ｂ）の場合は、輪郭データ１４が公差データと交差していないため、ＯＫと判定され、パターンの形状に異常がないと判断される。

なお、パターンの形状を評価する際、公差データ１５を使用する代わりに、他の手法を用いてパターンの形状の評価を行ってもよい。あるいは、評価領域１１内のパターンの対向するパターンエッジ間の幅を測定し、その幅によってパターン形状の評価を行ってもよい。

このように、第１の実施形態では、パターン内の特定の場所に評価領域１１を設定し、その評価領域１１内のパターンの形状に異常があるか否かを評価するため、パターン内のあまり重要でない部分の形状誤差によりパターン全体がＮＧとみなされるような不具合が起きなくなり、パターンの製造歩留まりが向上するとともに、パターンの形状評価を迅速かつ精度よく行うことができる。

上記説明では、パターン内に２箇所の評価領域１１を設定する例を説明したが、評価領域１１の数、場所およびサイズには特に制限はない。複数の評価領域１１が設定されている場合に、各評価領域１１でのパターン評価の基準は同じでもよいし、少なくとも一部の評価領域１１に他とは異なる評価基準を設けてもよい。また、そのとき、個々の評価領域１１ごとにパターン評価を行ってもよいし、複数の評価領域１１を分離した一領域とみなして、同時にパターン評価を行ってもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、評価対象のパターンが２層以上の多層構造からなる場合を対象としている。

第２の実施形態に係るパターン形状評価装置のブロック構成は図１と実質的に同一であるため、その説明を省略する。

図５は第２の実施形態に係るパターン形状評価装置の処理手順を示すフローチャートである。まず、パターン画像取得部３は、２層以上のパターンを含むパターン画像１３を取得する（ステップＳ１１）。

以下では、評価対象のサンプルが二層のパターンを有し、上層パターン１６が評価したいパターンであると仮定する。図６（ａ）は取得したパターン画像１３の一例を示す図である。この例では、評価対象の上層パターン１６はＴ字状のゲート電極であり、下層パターン１７は拡散層パターンである。

図６（ａ）からわかるように、上層パターン１６と下層パターン１７は一部重なり合っているため、下層パターン１７の一部は上層パターン１６の下に隠れている。図６（ａ）のゲート電極は、理想的には図６（ｂ）に示すように両側の拡散層パターンの中間位置に配置されるが、製造時のパターン同士の合わせずれにより一方の拡散層パターン側に偏って形成されている。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すパターン画像１３内のハッチング領域は、パターンのテーパー角度や材質の違い等の差による輝度差を表している。

次に、パターン輪郭検出部４は、取得したパターン画像１３に基づいて、上層パターン１６の輪郭データ１８と下層パターン１７の輪郭データ１９を生成する（ステップＳ１２）。第１の実施形態と同様に、パターン画像１３内でパターンエッジが白く光ることを利用して輪郭データ１８，１９を生成する。この場合の輪郭データ１８，１９は例えば図６（ｃ）のようになる。

上層パターン１６と下層パターン１７では、材質や形状などが異なるために、パターン画像１３の輝度が互いに異なっている。したがって、パターン画像１３の輝度差を検出することより、上層パターン１６と下層パターン１７を個別に選択して輪郭データ１８，１９を生成できる。

ステップＳ１１，Ｓ１２の処理に前後して、評価領域生成部２は、評価領域付き設計データを生成する（ステップＳ１３）。図６（ｄ）は評価領域付き設計データの一例を示している。この図の例では、上層パターン１６（ゲート電極パターン）と下層パターン１７（拡散層パターン）が重なり合う領域に評価領域１１が設定されている。設計データ自体にはパターンの位置ずれや形状誤差はないため、図６（ｄ）に示すように、本実施形態の設計データ２０，２１では２つの下層パターン１７の中間に上層パターン１６が配置されている。

なお、本実施形態において、上層パターン１６と下層パターン１７の重なり合う領域に評価領域１１を設定する理由は、上層パターン１６がゲート電極で、下層パターン１７が拡散層の場合、両パターンの重なり合う領域付近にトランジスタが形成されるためであり、これにより、半導体装置内の重要な回路素子であるトランジスタの製造上の不具合を検出可能となる。図６（ａ）の例では、下層パターン１７と上層パターン１６の重なり合う領域にそれぞれトランジスタが形成されるため、計２個のトランジスタが形成されることになる。

次に、データ合成部５は、輪郭データ１８，１９と評価領域付き設計データとの位置合わせを行う（ステップＳ１４）。位置合わせには、上層パターン１６に対応する輪郭データ１８は用いずに、下層パターン１７に対応した輪郭データ１９と評価領域付き設計データとを対比して行う。この結果、図７（ａ）のように上層パターン１６と下層パターン１７が重なり合う領域に評価領域１１が設定される（ステップＳ１５）
ここで、仮に上層パターン１６に対応する輪郭データ１８と評価領域付き設計データとの間で位置合わせを行ったとすると、図７（ｂ）に示すように上層パターン１６と下層パターン１７の重なり合う領域とはずれた箇所に評価領域１１が設定されて、パターン形状の評価を正しく行えなくなってしまう。このように、多層パターンを設計データ２０，２１と位置合わせする際には、下層側のパターンに対応する輪郭データ１９と設計データ２１とを対比するのが望ましい。本実施形態では、評価領域１１の位置を決めるのに下層パターンを基準とするために、輪郭データ１９と設計データ２１の位置合わせを行ったが、評価の内容とパターンの種類などに応じて、評価領域１１の位置決め用の基準パターンを他のパターンに変更してもよい。

次に、パターン形状計測部６は、設計データ２０，２１に対応する公差データ１５を設定して、評価領域１１内でパターンの形状評価を行う。図７（ｃ）は公差データ１５を設定した状態を示す図である。この図では、パターンの許容範囲の下限を示す下限データと上限を示す上限データを公差データ１５として点線で図示している。図７（ｃ）の例では、評価領域１１内で輪郭データ１８，１９が公差データ１５の範囲内に位置するため、パターンの形状には異常がないと判断される。

上記説明では、２層からなるパターンの形状評価を行う例を説明したが、３層以上の多層パターンの形状評価を行う場合も同様の手順で行うことができる。この場合、多層パターンの中のあるパターン（例えば下層側のパターン）を基準として位置合わせを行った後に、評価領域１１内で特定のパターンの形状評価を行えばよい。

このように、第２の実施形態では、複数層からなるパターンの形状評価を行う場合に、パターンの形状や位置が設計データ２０，２１とずれている場合であっても、パターン内の所望の場所に評価領域１１を設定してパターンの形状評価を行うことができ、パターンの形状評価を簡易かつ精度よく行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係るパターン形状評価装置の概略構成を示すブロック図。 （ａ）はパターン内に設定される評価領域１１の一例を示す図、（ｂ）は図２（ａ）のパターンに対応するパターン画像１３を示す図、（ｃ）はパターン画像１３から抽出された輪郭データ１４を示す図。 図１のパターン形状評価装置の処理手順の一例を示すフローチャート。 （ａ）は図２（ｂ）のパターン画像１３に対応する輪郭データ１４と評価領域付き設計データとの位置合わせを行って両者を重ね合わせた例を示す図、（ｂ）は評価領域１１付きの輪郭データ１４と公差データ１５とを重ね合わせた例を示す図。 第２の実施形態に係るパターン形状評価装置の処理手順を示すフローチャート。 （ａ）は取得したパターンの画像の一例を示す図、（ｂ）は理想的なパターンの画像を示す図、（ｃ）は輪郭データを示す図、（ｄ）は評価領域付き設計データを示す図。 （ａ）は位置合わせを行った状態を示す図、（ｂ）は位置合わせを行ったときに評価領域の位置がずれた例を示す図、（ｃ）は公差データを設定した状態を示す図。

符号の説明

１ 設計データ記憶部
２ 評価領域生成部
３ パターン画像取得部
４ パターン輪郭検出部
５ データ合成部
６ パターン形状計測部
１１ 評価領域
１２，２０，２１ 設計データ
１３，１６，１７ パターン画像
１４，１８，１９ 輪郭データ

Claims (4)

1. 半導体装置の下層パターンおよび上層パターンの設計データに、前記下層パターンまたは前記上層パターン内の特定の評価領域に関する情報を付加した評価領域付き設計データを取得するステップと、
   前記下層パターンおよび前記上層パターンが同時に観察された画像を取得するステップと、
   取得した前記下層パターンおよび前記上層パターンの画像に基づいて、前記下層パターンおよび前記上層パターンの輪郭データを生成するステップと、
   前記下層パターンまたは前記上層パターンの輪郭データと前記評価領域付き設計データとの位置合わせを行うステップと、
   位置合わせ終了後に、前記評価領域内で位置合わせを行うのに用いた層とは異なる層のパターンの形状を評価するステップと、を備えることを特徴とするパターン形状評価方法。
2. 前記評価領域は、複数のパターンが上下に重なり合う領域から作成されることを特徴とする請求項１に記載のパターン形状評価方法。
3. 前記評価領域は、リソグラフィ・シミュレーションにより得られたパターン形状に基づいて、前記パターン内の特定の場所に設定されることを特徴とする請求項１に記載のパターン形状評価方法。
4. 半導体装置の下層パターンおよび上層パターンの設計データに、前記下層パターンまたは前記上層パターン内の特定の評価領域に関する情報を付加した評価領域付き設計データを取得するステップと、
   前記下層パターンおよび前記上層パターンが同時に観察された画像を取得するステップと、
   取得した前記下層パターンおよび前記上層パターンの画像に基づいて、前記下層パターンおよび前記上層パターンの輪郭データを生成するステップと、
   前記下層パターンまたは前記上層パターンの輪郭データと前記評価領域付き設計データとの位置合わせを行うステップと、
   位置合わせ終了後に、前記評価領域内で位置合わせを行うのに用いた層とは異なる層のパターンの形状を評価するステップと、をコンピュータに実行させるためのパターン形状評価プログラム。

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