JP5223197B2 - パターン測定方法及び、フォトマスクの検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子、磁気デバイス素子等の各種半導体装置の製造に用いられるフォトマスクに形成される微細なパターンを測定するパターン測定方法、このパターン測定方法を用いるフォトマスクの検査方法に関するものである。

半導体素子や磁気素子などの半導体装置の製造方法では、フォトマスクを使った露光工程により、前記フォトマスクに遮光パターンの形で担持されたパターンをシリコンウェハなどの基板上に転写する工程が一般的に行われている。最近の半導体装置ではパターンの微細化が進み、フォトマスクの遮光パターンには、従来にもまして高い形状忠実性および高い寸法精度が要求されている。このためフォトマスクを製造する際、前記遮光パターンの描画には、高解像度の電子ビームで露光させる描画装置（以下、ＥＢ描画装置と記す。）が使われるようになった。特に、近年の微細なパターンの形成に使用されるフォトマスクは、従来技術に比べて、高い加速電圧、例えば、５０ｋＶ以上を持つＥＢ描画装置を使用して作成されるようになった。しかし、高加速電圧のＥＢ描画装置では、近接効果と呼ばれる、電子の散乱により描画する面積に依存した寸法の変化が起こる。これを回避するために、ＥＢ描画装置には、近接効果補正と呼ばれるパターンの寸法調整機能が設けられている。この寸法調整機能は、描画するパターンにおいて、近接効果波及範囲の面積密度を計算し、それに応じて電子ビーム照射量（以下、ドーズ量と記す。）を調整することによってパターン寸法を均一にする機能である。一般的なフォトマスクにおける寸法保証は、近接効果の波及範囲から見れば、非常に狭い領域に様々なパターンが入っているモニターパターンや回路パターンを測定し、それがある規格を満たしていることで精度の保証を行なわれていた。

ところが、上述のような近接効果が発生するＥＢ描画装置を使用した場合、従来のようなパターンの測定だけでは、近接効果補正の最適化がなされているフォトマスクであるのか否かを評価することは難しい。同一パターンでも、そのパターンの周囲のパターン環境の違いによる近接効果の影響によって寸法バランスが崩れている可能性がある。フォトマスクの場合ウェハプロセスとは異なり、レジスト塗布から描画、現像までの工程が多数あり、そのため、レジスト塗布からの時間経過などの影響によるレジスト感度の変動や、プロセスによる変動などの要因による最適な近接効果補正量の変動が考えられる。これに対処するには、近接効果が最適に補正されていることを製品毎に確認することが必要となるが、事実上非常に困難である。近接効果補正が最適でなければ、測定対象パターンの周囲の面積環境によってフォトマスクの寸法が変化し易くなり、これによって、ウェハプロセスでの光近接効果補正（ＯＰＣ：Optical Proximity Effect Correction）が合わなくなり、最終製品としての半導体装置の製造精度が低下するという問題である。

このために、例えば、特許文献１では、パターン周辺に別のパターンがある場合には、描画の際の相互近接効果が生じると評価し、相互近接効果が生じると考えられるパターンの一部のみを細分化し、細分化されたパターンのそれぞれに描画時のドーズ量データを割り振るフォトマスク描画用パターンデータ補正方法が開示されている。また、特許文献２では、設計データのパターンイメージである設計パターンに近接効果補正パターンを付加したものであり、設計パターンの斜線部に付加する近接効果補正パターンのエッジ部の形状を、設計パターンの斜線部に対して４５度の斜線形状としたフォトマスクが開示されている。しかし、特許文献１及び２は、フォトマスクを構成するパターンのデータの特徴をもとに、描画および転写といった物理現象をあらかじめ考慮し、補正データを作成することを目標にしたものであり、実際の製造工程の中で表れる近接効果を考慮したものではない。
一方、特許文献３では、測定パターンの同一寸法の複数の領域がそれぞれ一対の同開口率の前記周辺パターンに挟まれ、前記複数の領域のうち前記測定パターンの一の領域を挟む前記周辺パターンの開口率と前記測定パターンの他の領域を挟む前記周辺パターンの開口率とが異なるマスクが開示されている。しかし、これは、ＳＥＭのチャージを見極めるものであって、フォトマスク形成用の補正とは異なる。

特開平０９−０４５６００号公報 特開２００５−００３９９６号公報 特開２００６−０３０２２０号公報

本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであって、その課題は、フォトマスクの寸法保証を行なう際に、モニター、回路パターン以外に、フォトマスクの近接効果を補正するパターンを挿入して、描画後にパターンを検査して描画条件を管理し、これによって誤差の少ないパターンにするパターン測定方法を提供することにある。
また、本発明の別の課題は、このパターン測定方法を用いるフォトマスクの検査方法を提供することにある。

上記課題を解決する手段として、本発明のパターン測定方法は、電子線描画装置でフォトマスクに形成するパターンを補正するパターン測定方法において、測定対象となるパターンを含むパターン領域と、そのパターン領域の周囲に占有率を変化させた周辺パターンを含む占有率変更領域とを含む寸法管理パターンを同時にフォトマスクに形成し、形成したフォトマスクの測定対象となるパターンの寸法を測定してフォトマスクの使用可否を評価するものである。とくに、電子線描画装置における近接効果のバラツキを少なくするために占有率の異なる２種類以上のパターンを用いて、近接効果の大きさを確認しながらパターン寸法を評価する。また、このパターン測定方法によって評価されたフォトマスクの検査方法である。

本発明によれば、このパターン測定方法によって評価されたフォトマスクを用いてウェハに転写したところ、ウェハの誤差とフォトマスクの誤差に相関が見られこのパターン測定方法が有効であり、従来に比べて、より確実で効率的に近接効果補正が最適になされているかどうかを判定することができるようになった。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
本発明は、電子線描画装置でフォトマスクに形成したパターンを測定するパターン測定方法に関する。図１は、本発明の実施形態に適用する電子線描画装置の構成を示す概略図である。図１に示すように、電子線描画装置（ＥＢ描画装置）２０は、電子ビーム源２１１、集束レンズ２１２、偏向レンズ２１３等を備える画像形成部２１と電子ビーム２１６をコンピュータ等で制御する制御部２２とから主に構成されている。画像形成部２１は、内部にサンプル２１４を載置する試料台２１５を有し、真空ポンプ等に接続されていて、画像形成部２１全体を減圧雰囲気にすることができる。
図２は、フォトマスクを製造する工程を示す概略図である。
図２に示すように、フォトマスク３０として、電子ビームに対して透明なガラス基板３１の表面に金属から成る遮光膜３２を形成したフォトレジスト３３を用いた（図２（１））。なお、本発明は、このような構成のフォトマスク３０に限定するものではない。
そして、遮光膜３２の上に、例えばネガ型の電子ビーム用フォトレジスト３３を塗布してある。このフォトマスク３０をＥＢ描画装置２０内の試料台２１５上に載置し、描画用パターンデータに基づき、フォトレジスト３３に対して電子ビーム２１６でパターンを描画する（図２（２））。
フォトレジスト３３の黒く塗りつぶした部分が、電子ビーム２１６にて描画された部分である。次いで、フォトレジスト３３を現像して、未露光部分を除去した後（図２（３））、パターニングされたフォトレジスト３３をエッチング用マスクとして、より具体的には遮光膜３２をエッチングする（図２（４））。こうして、フォトマスク３０を形成することができる（図２（５））。
また、このフォトマスク３０の製造工程にネガ型レジストを用いた場合の工程を示しているが、ポジ型レジストを用いるようにしてもよい。

このフォトマスク３０に対して、ＥＢ描画装置２０でパターンを形成する場合に、近接効果という問題がある。近接効果とは、フォトマスク３０を作成する際のフォトレジスト３３に入射した電子ビーム２１６は、フォトレジスト３３内で散乱する前方散乱と遮光膜３２界面で散乱する後方散乱する電子の影響で、本来、電子ビーム２１６が入射されていない部分であってもフォトレジスト３３が感光し、現像されてしまうことをいう。したがって、ネガ型レジストの場合、パターンによっては、パターン間隔が細ったり、最悪の場合、パターン同士が接触することで、設計する線幅（以下、ＣＤと記すことがある。）とフォトマスク３０の線幅が異なることがある。この近接効果を補正する方法として、ＥＢ描画装置２０においては、フォトレジスト３３に形成すべきレジストパターン毎にドーズ量、電子ビーム２１６の形成条件における近接効果補正として描画データの露光時間等を変える方法がある。本発明では、ＥＢ描画装置２０による近接効果を、予め定めたパターンを測定することで、近接効果による線幅の変化を乖離量としてとらえ、さらに、この乖離量によって、半導体装置の製造工程に用いられたときに、半導体装置における線幅への誤差を最も少なくすることができるようなフォトマスク３０のパターン測定方法を提供する。

図３は、本発明のパターン測定方法に用いる寸法管理パターンを示す概略図である。具体的には、本発明は、測定対象となるパターン（測定対象パターン）１３を含むパターン領域１１と、そのパターン領域の周囲に占有率を変化させたパターンを含む占有率変更領域１２とを含む寸法管理パターン１０を同時にフォトマスク３０に形成し、その測定対象となるパターン１３の寸法を測定するものである。図３に示すように、測定対象となるパターンを含む領域１１と、その周囲４０μｍの占有率変更領域１２を持つような寸法管理パターン１０が作製されている。測定対象パターン１３には、図３に示すように、細い、線幅（ＣＤ）として４００ｎｍのラインパターンを用いた。なお、図３においては理解の便宜上、測定対象パターン１３を幅広く表示してある。
占有率変更領域１２のパターンは、Ｌ／Ｓパターン（ライン・アンド・スペースパタン）を使用して評価を行った。占有率変更領域１２として４０μｍの領域に、１０％の占有率の場合は４００ｎｍのパターンを４μｍピッチで形成し、占有率２０％の場合は８００ｎｍのパターンを４μｍピッチに配置し、占有率を０〜１００％まで１０％毎に１１種類作成した。もちろん、占有率１００％はベタ画像となる。
この占有率変更領域１２における寸法管理パターン１０の周囲の大きさは、４０μｍに限定するものではない。電子ビーム２１６の条件や使用するフォトレジスト３３、遮光膜３２の材質などにより、測定対象パターン１３に影響する範囲は変化する。したがって、ＥＢ電子線描画装置２０の能力と使用する材料の組み合わせにより、近接効果が生ずる範囲にすればよい。また、占有率を変えるパターンも、図３に示すＬ／Ｓパターンに限定するものではなく、四角のドットであっても良い。
また、この測定対象パターン１３を含むパターン領域１１は、その時に検討する回路パターンの内容に応じて、変えることができる。このようなパターン領域１１にすることで、占有率変更領域１２の占有率を変える影響が最も生じやすい寸法管理パターン１０にすることができる。

この寸法管理パターン１０を使用して、５０ｋＶの加速電圧を持つＥＢ描画装置２０で、評価用のフォトマスク３０としてネガ型を使用して、通常の半導体装置の製造における描画プロセスと同一のプロセスで、ドーズ量と近接効果補正のパラメータを変えてパターンを形成した。なお、フォトマスク３０のタイプは、ネガ型ではなく、ポジ型でもよい。
ＥＢ描画装置２０の電子ビームの形成条件を、近接効果補正として露光時間を変調するパラメータを５種類Ａ〜Ｅとした。また、理論的に０％のパターンに適用されるドーズ量を、１６／１８／２０μＣ／ｃｍ^３の３種類で評価を実施した。
図４は、フォトマスクの寸法管理パターンの線幅計測を行なった結果を示すグラフである。横軸にパターン占有率変更領域１２のパターン占有率、縦軸にフォトマスク３０の線幅における設計したパターンからの乖離量（ｎｍ）をフォトマスク３０の乖離量として示している。図４に示すように、描画する際のドーズ量によって最適な近接効果補正のためのパラメータが異なることが分かる。また、図４の結果より、近接効果が最適でない場合の乖離量は、線形近似可能で１次回帰できる乖離量であることがわかる。即ち、少なくとも２種類以上の占有率変更領域１２の占有率が異なるパターンを測定すれば、近接効果が最適か否かを評価することが可能である。
また、占有率変更領域１２を４０μｍとしたのは、近接効果の影響範囲が２０μｍ径以下だと評価したためであり、必ずしも４０μｍに限定するものではなく近接効果影響範囲を含んでいれば良い。また、今回は測定対象パターン１１にＬ／Ｓパターンを使用したが、必ずしもこれに限定するものではなく、他のモニターパターンや回路パターンでもかまわない。

次に、この測定対象パターン１１の乖離量の影響を、上述の寸法管理パターン１０を有するフォトマスク３０を用いて、通常の半導体装置の製造における工程に則り半導体装置を製造して、実際の回路パターンに対する影響を評価した。
図５は、半導体装置を製造する工程を示す概略図である。
図５に示すように、製造したフォトマスク３０を用いて、シリコンウェハの半導体基板４１に電子回路のパターンを転写する。半導体基板４１の上には、層間絶縁層４２、その上方に形成されたアルミニウム等の合金から成る金属膜４３が順次に形成され、その上にレジスト層４４が設けられている（図５（１））。なお、半導体基板上に積層される膜構成は、この構成に限定されるものではない。
この半導体装置４０の上に、寸法管理パターン１０を有するフォトマスク３０に露光光５１を照射し、半導体装置４０の金属膜４３上に形成されたレジスト層４４に転写する（図５（２））。
次いで、パターニングされたレジスト層４４をエッチング用マスクとしてエッチング処理する。次いで、パターンニングされたレジスト層４４を除去する。これにより、フォトマスク３０のパターンが忠実に、半導体装置４０の表面の金属膜４３に転写される（図５（３））。

フォトマスク３０に露光光５１を照射することで半導体基板４１上のレジスト層４４にパターンを転写する際に、レジスト層４４に形成されたパターンの形状が設計パターンの形状と相違することがある。特に、半導体装置４０の製造プロセスにおけるフォトリソグラフィ工程において、露光光５１の波長程度の大きさを有するパターンをレジスト層４４に転写する場合、露光光５１の干渉現象が顕著となり、レジスト層４４に形成されたパターンの寸法と設計パターンの寸法との間に差異が生じる光近接効果が問題となっている。光近接効果は、ＥＢ描画装置２０の近接効果と同様に、孤立ラインと繰り返しラインの線幅差やライン端部の縮み等の現象として現れ、半導体装置４０におけるゲート線幅制御性の劣化をもたらす。その結果、半導体特性にばらつきが生じ、最終的には生産歩留まりが低下し、半導体装置４０の生産効率に対して著しい悪影響を与える。したがって、本発明における寸法管理パターン１０では、ウェハ製造におけるレジスト層４４への影響とを同時に関連づけて評価した。

この半導体装置４０を製造する工程に則り、本発明のフォトマスク３０を用いて半導体装置４０を製造した。初めに、ｐｏｌｙ−Ｓｉ／ＳｉＯ／Ｓｉ単結晶の下地を持つ半導体基板４１上に反射防止用の金属膜４３及びレジスト層４４を設ける。ＥＢ描画装置２０のパラメータとドーズ量を変えたそれぞれのフォトマスク３０を用いて、ＡｒＦエキシマレーザを光源とする縮小投影露光装置により露光を行った。
図６は、フォトマスク３０の乖離量と半導体基板上に形成された線幅（ＣＤ）との関係を示すグラフである。
図６に示すように、横軸にフォトマスク３０に形成された設計パターンからの乖離量、縦軸に半導体装置４０で計測したレジスト層４４の線幅を示している。図６から明らかなように、フォトマスク３０の寸法ターゲットからの乖離量と転写の線幅（ＣＤ）には強い相関がある。パターン占有率のフォトマスク３０への依存がない条件では、半導体装置４０に転写後の線幅は、測定対象パターン１１の周囲の占有率変更領域１２のパターン占有率に依存せず均一に形成されている。このことから、様々なパターン環境において光近接補正をあわせるためにも、本発明のパターン評価方法が有効であることがわかる。
したがって、本発明のパターン測定方法を用いて製造したフォトマスク３０を用いることによって、配線パターン等の半導体装置を精度良く製造することができる。

本発明の実施形態に適用する電子線描画装置の構成を示す概略図である。 フォトレマスクを製造する工程を示す概略図である。 本発明のパターン測定方法に用いる寸法管理パターンを示す概略図である フォトマスクの線幅計測を行なった結果を示すグラフである。 半導体装置を製造する工程を示す概略図である。 フォトマスクの乖離量とウェハ上に形成された線幅（ＣＤ）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 寸法管理パターン
１１ 測定対象パターンを含む領域
１２ 占有率変更領域
１３ 測定対象のパターン
２０ 電子（ＥＢ）描画装置
２１ 画像形成部
２１１ 電子銃
２１２ 集束レンズ
２１３ 偏向レンズ
２１４ 試料台
２１５ サンプル
２１６ 電子ビーム
２２ 制御部
３０ フォトマスク
３１ 透明基板
３２ 遮光膜
３３ フォトレジスト
４０ 半導体装置
４１ 半導体基板
４２ 層間絶縁膜
４３ 金属膜
４４ レジスト層
５１ 露光光

Claims (3)

1. 電子線描画装置を用いてフォトマスクに形成したパターンを測定するパターン測定方法において、
   寸法管理パターンは、
   測定対象となるパターンを含むパターン領域と、
   前記パターン領域を囲んで形成され、占有率を変化させたパターンを含む占有率変更領域とを含み、
   前記測定対象となるパターンは、前記占有率を変化させたパターンの形状とは異なる形状を有し、
   前記測定対象となるパターンが同一形状である複数の前記寸法管理パターンを同時にフォトマスクに形成し、
   前記占有率変更領域の占有率が異なる前記寸法管理パターンのうち、少なくとも２種類以上の前記測定対象となるパターンを測定する
   ことを特徴とするパターン測定方法。
2. 請求項１に記載のパターン測定方法において、
   前記占有率変更領域の大きさは、前記電子線描画装置で発生する近接効果の波及する範囲を含む
   ことを特徴とするパターン測定方法。
3. 請求項１又は２に記載のパターン測定方法において、
   前記寸法管理パターンは、前記占有率変更領域の占有率を変化させたパターンを２種類以上含む
   ことを特徴とするパターン測定方法。

Images