JP5175570B2 - パターン評価方法、プログラムおよび半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パターン評価方法、プログラムおよび半導体装置の製造方法に関する。

評価対象パターンの輪郭を検出して、そのパターンの形状を評価する方法が様々な工業分野で広く採用されている。例えば、半導体デバイスの製造には、フォトリソグラフィ工程や成膜工程、エッチング工程等により形成された微細パターンを精度良く計測することが、歩留まり良く微細デバイスを製造するために必須である。従来は、パターン計測としてＣＤＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いたＣＤ計測が広く実施されている。

近年、デバイスの高性能化、高機能化の要求を満たすために、パターンはそのサイズの微細化のみならず、その形状もますます複雑なものとなってきている。これら複雑な形状のパターンを評価するためには、パターンの特定部分を計測する従来のＣＤ計測とは異なり、パターン全体の形状を計測する必要がある。例えば、設計データによる設計パターンと評価パターンとを重ねて、両者の差分を計測する手法が既に実施されている。しかしながら、一般的な工業製品と異なり、半導体デバイスの場合、そのパターン形状が設計データから大きく乖離していることが多い。特に、パターンのコーナ部はパターン露光装置の光学的解像度の影響を受けやすいので、設計パターンのような直角部を形成することが困難で、丸まった形状となるのが一般的である。従って、評価対象パターンと設計パターンとの形状の差分を計測する場合、コーナ部分とそれ以外の部分とで差分の大きさに与える影響が異なることになる。パターン中のコーナ部の数はパターンの複雑さによるため、結果として差分の大きさはパターンの複雑さに依存することになる。このことは、例えばラインパターンやラインパターンが複雑に結合したパターンを同一指標で評価するためには、評価対象パターンと設計パターンとの差分を使用するのが不適当であることを意味する。そのため、差分を計測する際に、パターンのコーナ部分を差分の計測から除外する必要がある。

ここで、オペレータのアシストにより特定部分（コーナ部分）の範囲を指定することで、上述の目的を達成することも不可能ではないが、直線で構成された設計データと異なり、実際に形成された半導体パターンのコーナ部を人間の目で抽出することは困難である。このため、正確な結果が得られないだけでなく、オペレータの熟練度に応じて大きな個人差が生ずるという問題があった。このため、例えば、コンピュータによる画像処理技術を用いてパターンの輪郭を検出し、その局所的な曲率を計算し、この曲率に基づいてパターンの直線部とコーナ部とを分割することにより、オペレータのアシストを必要としない自動化手法も考えられる。

しかしながら、上記手法では、本来直線部として評価したいパターンの一部分であっても、露光条件等の様々なプロセス要因によって変形したために局所的に曲率が大きくなってしまった場合、コーナ部としてその差分への寄与が除去されてしまうというケースも考えられる。また、露光条件を意図的に所定刻みで振ってパターンを評価する場合、パターンの変形度合いはパターン毎に異なるため、上述の自動化手法では変形の大きいパターンと変形の小さいパターンとの間でパターン輪郭中に占める直線部の割合が異なってしまう。その結果として、パターンの変形度合いの評価指標として差分を用いることが困難になってしまうという問題がある。
特開２００５−０９８８５号公報

本発明の目的は、高精度のパターン評価方法、プログラムおよび半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、
評価対象パターンの設計データを用いて設計パターンの輪郭を直線部とコーナ部とに分割する工程と、
前記評価対象パターンの検査画像を取得して前記検査画像中の前記評価対象パターンの輪郭を検出する工程と、
前記評価対象パターンの輪郭と前記設計パターンの輪郭との間でマッチング処理を行い、輪郭同士の対応関係を得る工程と、
前記対応関係を参照して前記評価対象パターンの輪郭を直線部とコーナ部とに分割する工程と、
前記評価対象パターンを直線部とコーナ部とで個別に評価する工程と、
を備えるパターン評価方法が提供される。

本発明によれば、高精度のパターン評価方法、プログラムおよび半導体装置の製造方法が提供される。

以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。以下では、リソグラフィ工程やエッチング工程等の半導体装置の製造工程で形成される微細パターンの画像をＣＤＳＥＭ等の撮像装置により取得し、そのパターン画像を評価する場合を具体例として取り上げて説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、他の様々な産業分野におけるパターン評価全般に適用可能である点に留意されたい。なお、以下の実施形態では、ＣＤＳＥＭにより取得されたトップダウンＳＥＭ画像を用いて評価対象パターンを評価する場合を例として取り上げるが、これに限ることなく、光学式画像取得装置等、その他のどのような装置によって取得された画像についても本発明を適用することができる。しかしながら、半導体の微細パターンを高精度に評価するためには、より高倍率でパターン画像を取得する必要があるため、現時点ではＳＥＭ画像を用いることが好ましい。

（１）第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態について図１乃至図７を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態によるパターン評価方法の概略工程を説明するフローチャートであり、図２は、評価対象パターンの一例を示し、図３は、図２に示す評価対象パターンの設計パターンを示す。

先ず、図３の設計パターンのコーナ部分を検出する（図１、ステップＳ１）。そのために、設計データから設計パターンの図形の頂点を検出する。頂点を検出する方法として、設計データがＧＤＳ等のファイルとして供給されている場合には、そのファイルにＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）図形の頂点座標が記述されているため、そこから読み取ることができる。ＧＤＳファイルを展開したビットマップ形式等の画像データとしてＣＡＤ図形が与えられている場合には、特徴点検出の画像処理を頂点検出のために用いる必要がある。特徴点検出は、マシンビジョンの技術分野では重要な要素技術の一つであり、既に様々な方法が提案されているが、ここではコサイン値判別法の名称を挙げるに留める。もちろん、その他の特徴点検出法を用いることも可能である。

次に、図４に示すように、例えば上述した方法のうちのいずれかによって抽出されたＣＡＤ図形の頂点ＶＴ１〜ＶＴ６を中心として所定サイズの図形、例えば正方形ＲＴ１〜ＲＴ６を描画し、設計パターンの輪郭を直線部ＳＤ１〜ＳＤ６とコーナ部ＣＤ１〜ＣＤ６とに分割する（図１、ステップＳ２）。この正方形の大きさはパターン全体のサイズにより調節される。本実施形態では一辺が１０ｎｍの正方形ＲＴを使用した。これにより、正方形ＲＴ１〜ＲＴ６とＣＡＤ図形の輪郭との交点を境界にして、図５に示すように、正方形の内側をコーナ部ＣＤ１〜ＣＤ６、外側を直線部ＳＤ１〜ＳＤ６として、ＣＡＤ図形の輪郭を分割することが可能になる。本実施形態では正方形ＲＴをコーナ部の検出に用いたが、この形状に限ることなく、長方形や円、楕円等のその他の形状の図形であっても構わない。

次いで、評価対象パターンと設計パターンとのマッチングにより評価対象パターンを直線部とコーナ部とに分割する（図１、ステップＳ３）。まず、図２の評価対象パターンを図３の設計パターンにマッチングする処理を実行する。本実施形態では特開２００６−２７５９５２号で提案した距離マッチングを用いた場合を例にとって説明する。この参照により、特開２００６−２７５９５２号の内容全体を本明細書に引用したものとする。距離マッチングでは、マッチングに先立って評価パターンの輪郭を検出する必要がある。輪郭検出の方法についてはやはり様々な方法が提案されているが、本実施形態では複雑なパターンであっても全周囲の輪郭をＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）の設定等のマニュアルアシスト無しに高速にかつ精度良く検出可能であるという特徴を持つ特開２００３−１７８３１４（特願２００２−２８１６９２）で提案した方法を採用する。この参照により、特開２００３−１７８３１４の内容全体を本明細書に引用したものとする。

次に、このようにして検出された評価対象パターンの輪郭と設計データに記述されたＣＡＤ図形の輪郭とのマッチングを実行する。本実施形態で採用した距離マッチング処理では、ＣＡＤ図形の輪郭を距離変換した距離マップと評価対象パターン輪郭との相対的位置を操作しながら、その相対位置における距離マップと輪郭データとの画像演算により得られる値をマッチングスコアとして、その値が最大になる相対的位置をマッチング座標として出力する。なお、本実施形態では、距離マッチングの手法を二つのパターンの位置合わせに用いたが、他のどのようなマッチング手法を用いても構わない。

続いて、この両者の輪郭同士の対応を取る処理を施す。これを実現するためにも様々な方法が考えられるが、本実施例では、文献Ｈａｉｌｉ Ｃｈｕｉ、 Ａｎａｎｄ Ｒａｎｇａｒａｊａｎ、 Ａ ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｎｏｎ−ｒｉｇｉｄ ｐｏｉｎｔ ｍａｔｃｈｉｎｇ、 ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ （ＣＶＰＲ）、ｖｏｌｕｍｅＩＩ、 ４４−５１、２０００で提案されているＲｏｂｕｓｔ ｐｏｉｎｔ ｍａｔｃｈｉｎｇの手法を用いる。

このような対応付けを行った結果を図６に示す。同図中、点線の両端の２点（ＥＰ１，ＥＰ２）、（ＥＰ３，ＥＰ４）、（ＥＰ５，ＥＰ６）、（ＥＰ７，ＥＰ８）、（ＥＰ９，ＥＰ１０）、（ＥＰ１１，ＥＰ１２）が、図５の分割点（ＤＰ１，ＤＰ２）、（ＤＰ３，ＤＰ４）、（ＤＰ５，ＤＰ６）、（ＤＰ７，ＤＰ８）、（ＤＰ９，ＤＰ１０）、（ＤＰ１１，ＤＰ１２）にそれぞれ対応付けられた２点に相当し、評価対象パターンと設計パターンとの二つの輪郭上で同等な場所に位置することになる。また、それぞれの２点の両端間の長さの合計が二つのパターンの差を表している。 このように、ＣＡＤパターンを直線部とコーナ部とに分割した点ＤＰ１〜ＤＰ１２に対応する評価パターン上の点ＥＰ１〜ＥＰ１２を分割点とすることで、図７に示すように、評価パターン輪郭を直線部ＳＡ１〜ＳＡ６とコーナ部ＣＡ１〜ＣＡ６とに分割することが可能となる。分割された評価パターンはそれぞれ異なる評価方法にかけることができる（図１、ステップＳ４）。本実施形態では、直線部ＳＡ１〜ＳＡ６ではラフネス測定を、コーナ部ＣＡ１〜ＣＡ６はコーナーラウンディング測定を実施することで精度良くパターン評価をすることができた。ラフネスやコーナーラウンディングの測定方法としては、既存のいかなる方法を用いてもよい。このようにして得られた、評価パターンに対する、複数のラフネスおよびコーナーラウンディング測定結果は、それぞれの平均、または個々の値をパターン評価指標として用いることが可能である。

（２）第２の実施の形態
次に、 本発明の第２の実施の形態について図８および図９を参照しながら説明する。図８は、本実施形態のパターン評価方法の概略工程を説明するフローチャートであり、図９は、図８に示すパターン評価方法の説明図である。

本実施形態では、評価パターンの評価指標として、半導体パターンの設計データに記述されたＣＡＤパターンと評価パターンとの差を用いる場合を例にとって説明する。

まず、上述した第１の実施の形態で説明した方法を用いて、評価パターンを直線部とコーナ部とに分割する（図８、ステップＳ１１〜Ｓ１４）。半導体パターンの場合、一般的に製品のパターン形状はＣＡＤ形状と大きく乖離している。パターン製造上の光学的解像度やパターン転写製の解像度等の制約から、特にコーナ部でパターンが丸まっている。このため、ＣＡＤパターンとの差を評価指標として用いる場合、評価対象パターンをコーナ部と直線部とに分割し、パターンの直線部のみでの設計パターンとの差分を算出することが望ましい。直線部分として分割された輪郭上の対応付けされた点の距離の合計を差分として出力しても良いが、本実施形態では、パターンの直線部の差分を計測する場合、図８に示す工程に従って計算をする。

まず、設計パターンと評価対象パターンとで互いに対応する直線部分を取り出す（ステップＳ１５）。第１の実施の形態による例で説明すると、図５に示すＣＡＤパターンの直線部ＳＤ１〜ＳＤ６と、図７に示す実パターンの直線部ＳＡ１〜ＳＡ６とを取り出す。

次に、設計パターンから垂線ＶＬを評価対象パターンの内側および外側方向に一定間隔で描画する（図８、ステップＳ１６）。結果の一例を図９に示す。

続いて、設計パターン上の各垂線ＶＬの始点から当該垂線ＶＬが評価パターンの輪郭と交わる点までの距離を求める（図８、ステップＳ１７）。このとき、パターン外側に交点がある場合符合を正に、内側に交点がある場合符合を負にする。一定の距離内に交点が見つからなかった場合は距離を０とする。

最後に、すべての距離を合計する（ステップＳ１８）。

このように、本実施形態によれば、上述した簡便な工程により、ＣＡＤパターンと評価パターンとの差のうち、コーナ部分の影響を取り除いた値を正確に算出することができる。

（３）プログラム
上述した実施形態のパターン評価方法の一連の工程は、コンピュータに実行させるプログラムに組み込み、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納してコンピュータに読込ませて実行させても良い。これにより、本発明にかかるパターン評価方法を画像処理可能な汎用コンピュータを用いて実現することができる。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の携帯可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でも良い。また、上述したパターン評価方法の一連の工程を組込んだプログラムをインターネット等の通信回線（無線通信を含む）を介して頒布しても良い。さらに、上述したパターン評価方法の一連の工程を組込んだプログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、または記録媒体に収納して頒布しても良い。

（４）半導体装置の製造方法
上述したパターン評価方法を半導体装置の製造工程中で使用すれば、パターンを高い精度で短時間に評価することができるので、より高い歩留まりおよびスループットで半導体装置を製造することができる。

より具体的には、製造ロット単位で基板を抜き出し、抜き出された基板上に形成されたパターンを上述したパターン評価方法により評価する。評価の結果、製品仕様に応じて設定された閾値を超えて良品と判定された場合、評価されたパターンが形成された基板が属する製造ロット全体について、引き続き残余の製造プロセスを実行する。この一方、評価の結果不良品と判定された場合でリワーク処理が可能な場合には、不良品と判定されたパターンが形成された基板が属する製造ロットに対してリワーク処理を実行する。リワーク処理が終了すると、その製造ロットから基板を抜き取って再度パターンを評価する。パターンの再評価により抜き取られた基板が良品と判定されると、リワーク処理を終えたその製造ロットに対し残余の製造プロセスを実行する。また、リワーク処理が不可能な場合には、不良品と判定されたパターンが形成された基板が属する製造ロットは廃棄し、不良発生原因が解析可能な場合はその解析結果を設計担当や上流のプロセス担当等へフィードバックする。

本発明の第１の実施の形態によるパターン評価方法の概略工程を説明するフローチャートである。 評価対象パターンの一例を示す図である。 図２に示す評価対象パターンの設計パターンを示す図である。 図１に示すパターン評価方法の説明図である。 図１に示すパターン評価方法の説明図である。 図１に示すパターン評価方法の説明図である。 図１に示すパターン評価方法の説明図である。 本発明の第２の実施の形態によるパターン評価方法の概略工程を説明するフローチャートである。 図８に示すパターン評価方法の説明図である。

符号の説明

ＣＡ１〜ＣＡ６：評価対象パターンのコーナ部
ＣＤ１〜ＣＤ６：設計パターンのコーナ部
ＳＡ１〜ＳＡ６：評価対象パターンの直線部
ＳＤ１〜ＳＤ６：設計パターンの直線部

Claims (5)

1. 評価対象パターンの設計データを用いて設計パターンの輪郭を第１の直線部と第１のコーナ部とに分割する工程と、
   前記評価対象パターンの検査画像を取得して前記検査画像中の前記評価対象パターンの輪郭を検出する工程と、
   前記設計パターンの輪郭と前記評価対象パターンの輪郭との間でマッチング処理を行い、前記設計パターンおよび前記評価対象パターンの輪郭同士の対応関係を得る工程と、
   前記対応関係を参照することにより、前記設計パターンの輪郭を前記第１の直線部と前記第１のコーナ部とに分割する点に対応する前記評価対象パターン上の点を特定する工程と、
   特定された前記評価対象パターン上の点を用いて前記評価対象パターンの輪郭を第２の直線部と第２のコーナ部とに分割する工程と、
   前記評価対象パターンを前記第２の直線部と前記第２のコーナ部とで個別に評価する工程と、
   を備えるパターン評価方法。
2. 前記第２の直線部は、マッチング処理後の前記検査画像の輪郭と前記設計パターンの輪郭との距離計測を用いて評価されることを特徴とする請求項１に記載のパターン評価方法。
3. 前記第２のコーナ部は、ラフネス計測により評価されることを特徴とする請求項１に記載のパターン評価方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン評価方法をコンピュータに実行させるプログラム。
5. 基板に形成された評価対象パターンを請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン評価方法により評価した結果、要求仕様を満たすと判定された場合に、前記基板に半導体装置の製造プロセスを実行することを備える半導体装置の製造方法。

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