JP5402458B2 - 微細パターン測定方法及び微細パターン測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、微細パターン測定方法及び微細パターン測定装置に関し、特に、走査型電子顕微鏡の二次電子像から微細パターンの形状を測定する微細パターン測定方法及び微細パターン測定装置に関する。

近年、半導体を用いて実現する大規模集積回路装置（以下、「ＬＳＩ」という）の微細化が進展した結果、ＬＳＩ製造工程のひとつであるリソグラフィ工程において、パターン寸法の微細化が進んできている。そのためパターン原版としてのフォトマスクも同様に微細化が進められてきており、尚且つパターンのエッジ部分の側壁形状も重要視されてきている。

微細パターンの寸法を測定する技術として、試料に電子線を照射して試料内部から発生する二次電子を検出することによってパターンの電子像を得るＳＥＭが用いられている。半導体プロセスで最も普及している走査型電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ」という）は測長ＳＥＭと呼ばれ、二次電子線像による寸法計測が行われている。

半導体プロセスにおいては、パターン寸法の計測あるいはプロセス変動の監視を目的に、上記の測長ＳＥＭが用いられてきた。しかし、パターンの微細化が進むにつれ、様々な場面でパターンの３次元形状を計測するニーズが高まっており、測長ＳＥＭに求められる要求も増えてきている。

また半導体パターンの電気的な特性にはパターンの高さ、ライン幅、側壁角度のほか、ボトム部の裾引きといった微妙なパターン形状の変化も大きな影響を与える。そのため、これらの寸法または形状を計測することによりプロセス変動を検知し、プロセスを制御する技術が求められており、ＳＥＭによる半導体パターンの側壁観察やＳＥＭで取得した観察画像から３次元形状を推定する技術が期待される。

近年、ＬＳＩの高集積化が急速に進み、パターンの寸法精度が厳しくなってきている。一方、パターンの寸法精度を悪化させる要因として、微細構造パターンの側壁形状が、製造上の理由によりばらつくことがある。例えばボトム部の裾引きが挙げられる。微細構造パターンの側壁形状の変化は寸法測定値やウェハ上空間像にそれぞれ影響（側壁効果）を与える。両者の側壁効果が一致していない場合、測定値が同一のパターンであっても形成されるウェハ上空間像は必ずしも同一とは限らないため、所望する寸法パターンの転写結果が得られないといった問題がある。

上記の問題を事前に把握するために、パターンの転写シミュレーションの役割が大きくなってきた。例えば、転写シミュレータの一つにマスクパターンの３次元情報を入力して、ウェハ上の空間像を得るシミュレータがある。しかし、従来では、ＣＤ−ＳＥＭにより正確な２次元情報を取得することはできたが、パターンの側壁形状などの３次元情報を正確に取得することは困難であったため、精度良くシミュレーションを行うことができなかった。

そのため、微細構造パターンの側壁形状を精度良く測定する方法が求められている。特に半導体パターンの電気的な特性に影響を与えるパターンボトム部の裾引きなどの微妙なパターン変化を把握するニーズが増えてきている。

これらのニーズに応えるために、半導体パターンの断面形状を計測するサンプルを断裁し断面をＳＥＭなどで観察する方法、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察する方法、スキャトロメトリを用いる方法があるが、これらにはそれぞれ次のような問題点がある。

サンプルを断裁し断面をＳＥＭで観察する方法は、断面を観察するまでの準備に長時間を要するうえ、破壊検査であるため当然ながらそのサンプルは製品として使用することができなくなるといった問題点がある。

ＡＦＭで観察する方法は、非破壊で測定することが可能であるが、物理的に針をスキャンさせながら測定するため、スループットが非常に遅いという課題がある。また、測定回数に応じて針が少しずつ磨耗してしまい測定値が不正確になってしまうこともあり、多くのパターンの側壁形状を測定したい場合には不適であるという問題がある。

スキャトロメトリを用いる方法は、高速で、かつ、非破壊で断面形状を計測可能なツールである。具体的には、パターンからの散乱光の分光強度分布がパターンの材質、断面形状によって異なることを利用して、実測したパターンの分光強度分布を、あらかじめシミュレーションで作成しておいた様々な断面形状モデルに対する分光強度ライブラリとマッチングすることによって、パターンの断面形状を計測する手法である。原理的には対象パターンの形状に限定はないが、あらゆる形状を網羅したライブラリを生成することは現在の計算機では難しく、現状で適用可能なパターンは、ライン＆スペースのパターンに限られている。従って、スキャトロメトリは任意のパターンを計測するニーズには応えられない。

一方、特許文献１においては、ＣＤ−ＳＥＭを用いてパターンエッジ部のボトムの裾引きを測定する方法が開示されている。特許文献１の方法は、パターンエッジ部の二次電子信号を微分した信号を使って裾引きに相当する幅を定義し、定義幅と裾引きとの間に相関があるものとして測定している。しかし実際には、ＳＥＭのビーム径はある有限の幅をもっている。そのためパターンボトム部の裾引きが、ＳＥＭのビーム径よりも小さくなるとビーム径の幅によって裾引き部分の二次電子情報が相殺されてしまい定義幅から裾引きを算出することは困難になる（特許文献１参照）。

一般的に、ＣＤ−ＳＥＭで微細構造体パターンを観察すると、微細構造体パターンのエッジ部分から二次電子が多く放出されるため、エッジ部分が明るく見える（以下、「ホワイトバンド」という）。このホワイトバンドを利用して、パターンのトップ寸法やボトム寸法を計測している。

特許文献２には、パターンのエッジ部分のホワイトバンドには側壁に関する三次元形状の情報が含まれていると考えられており、ホワイトバンド幅から側壁角度を推定する方法などが開示されている（特許文献２参照）。特許文献２は、パターンエッジの角度の傾きが緩やかになるほどホワイトバンド幅が太くなることを利用したものである。

パターンエッジ部の側壁形状の情報は、ホワイトバンドからある程度算出することは可能であるが、実際のＳＥＭ画像に適用した場合にはＳＥＭ画像のビーム径が幅をもっているため、ビーム径の幅に相殺されて高精度に測定することは困難になる。

特開２００５−７７１９２号公報 特開平０２−９１５０４号公報

本発明は、微細構造体パターンのボトム部の裾引きをＣＤ−ＳＥＭを用いて、微細構造体パターンのボトム部の裾引きを精度良く測定することができる微細パターン測定方法及び微細パターン測定装置を提供することである。

本発明の請求項１に係る発明は、フォトマスクの微細パターンの画像を取得し、画像を処理して信号プロファイルを生成し、信号プロファイルを処理して微分プロファイルを生成し、微分プロファイルから微細パターンの微分ピーク値を算出して、微細パターンのボトム部の裾引きを算出することを特徴とする微細パターン測定方法としたものである。

本発明の請求項２に係る発明は、微細パターンの画像はＳＥＭ画像であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターン測定方法としたものである。

本発明の請求項３に係る発明は、微細パターンのボトム部の裾引きは、あらかじめ複数の微細パターンから微分ピーク値と裾引きの関係図及び近似式から算出することを特徴とする請求項１または２に記載の微細パターン測定方法としたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、フォトマスクの微細パターンの画像を取得する手段と、画像を処理して信号プロファイルを生成する手段と、信号プロファイルを処理して微分プロファイルを生成する手段と、微分プロファイルから微細パターンの微分ピーク値を算出して、微細パターンのボトム部の裾引きを算出する手段と、を有することを特徴とする微細パターン測定装置としたものである。

本発明の請求項５に係る発明は、微細パターンの画像はＳＥＭ画像であることを特徴とする請求項４に記載の微細パターン測定装置としたものである。

本発明の請求項６に係る発明は、微細パターンのボトム部の裾引きは、あらかじめ複数の微細パターンから微分ピーク値と裾引きの関係図及び近似式から算出することを特徴とする請求項４または５に記載の微細パターン測定装置としたものである。

本発明によれば、微細構造体パターンのボトム部の裾引きをＣＤ−ＳＥＭを用いて、精度良く測定することができる微細パターン測定方法及び微細パターン測定装置を提供することができる。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る微細構造パターンの測定原理を示す図である。 本発明の実施の形態に係る微細構造パターンの測定原理を示す図である。 本発明の実施の形態に係るＳＥＭ装置の測定方法及び測定装置の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る微細パターン測定手順及び転写シミュレーションを利用してマスクの検査を行う流れを示すフロー図である。 本発明の実施例に係る測定パターンのＳＥＭ像を示す図である。 本発明の実施例に係る測定パターンの信号プロファイルを示す図である。 本発明の実施例に係る測定パターンの微分プロファイルを示す図である。 本発明の実施例に係る測定パターンの断面ＳＥＭ像を示す図である。 本発明の実施例に係る測定パターンの微分ピーク値と裾引き値の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る微細パターン測定方法について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、フォトマスク上に形成されるラインもしくはスペースパターンに適応した場合について述べるが、本発明の実施の形態の適応範囲は、それのみに限定されるものではない。

本発明の実施の形態に係る微細パターン測定方法は、微細パターンのエッジ部のホワイトバンドを使って、微細パターンのボトム部の裾引きを算出する工程を備えていることを特徴とする。ここで、ホワイトバンドとは、ＣＤ−ＳＥＭで微細構造体パターンを観察すると、微細構造体パターンのエッジ部分から二次電子が多く放出されるため、エッジ部分が明るく見える箇所をいう。

一方、ＣＤ−ＳＥＭで微細構造体パターンを観察すると、パターンエッジ部の二次電子信号強度はビーム径の幅の影響を受けないと考えられる。よって二次電子信号強度の傾きを表す微分信号の微分ピーク値は、ビーム径の影響を受けない形状指標値として考えることができる。本発明者の検討結果により、パターンエッジのボトム部の裾引きによって、二次電子信号を微分した信号の微分ピーク値が変化することが分かっている。本発明の実施の形態ではこの現象を利用したものである。このため、本発明の実施の形態の微細パターン測定方法は、測定対象パターンのボトム部の裾引きがＳＥＭのビーム径よりも小さな場合であっても、好適に裾引きを算出することができる。以下、具体的に、本発明の実施の形態に係る微細パターン測定方法について説明を行う。

＜裾引きの指標値を算出する工程＞
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る微細構造パターンの測定原理を示す図である。図１（ａ）及び（ｂ）の１０１、１０２は微細構造パターンの側壁形状を示している。図１（ａ）及び（ｂ）の１０１、１０２は縦軸に高さを示し、横軸に位置を示している。図１（ａ）は裾引きが小さい例を示し、図１（ｂ）は裾引きが大きい例を示している。図１（ａ）及び（ｂ）の１０３、１０４は側壁形状１０１、１０２に対応するＳＥＭ信号量のラインプロファイルを示している。ラインプロファイルは、二次電子の電子量に対応した輝度信号を表すものであり、パターンの側壁形状を反映すると考えられている。図１（ａ）及び（ｂ）の１０３、１０４は縦軸に輝度値を示し、横軸に位置を示している。図１（ａ）及び（ｂ）の１０５、１０６は、ラインプロファイル１０３、１０４に対して、１次微分処理を施した微分プロファイルを示している。図１（ａ）及び（ｂ）の１０５、１０６は縦軸に微分値を示し、横軸に位置を示している。

裾引きの指標値として、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）の１０５、１０６に示す微分プロファイルのピーク値１０、１１を定義する。裾引きの指標値は、裾引きが大きい場合には小さくなることが分かっている。これは裾引きが大きくなると図１（ｂ）に示す１０４のＡの部分の傾きが緩やかになってくるためであり、それを微分ピーク値で表すと小さい値となる。

＜裾引きを算出する工程＞
次に、微細構造パターンのボトム部の裾引きを算出する。上述した裾引きの指標値と微細構造パターンのボトム部の裾引き部分との曲率半径には相関関係があることが分かっており、裾引きの指標値を算出することにより、ボトム部の裾引きを算出することができる。図２に示すように、あらかじめ実験などにより、裾引きの指標値とボトム部の裾引き部分との曲率半径の相関グラフ及び近似式を求めておき、それを基にして裾引きを決定すればよい。図２は縦軸が曲率半径を示し、横軸が微分ピーク値を示す。二次電子信号はサンプルの膜種や膜厚に依存するため、同種のサンプルであれば、あらかじめ実験などにより作成しておいた相関図を利用することが好ましい。

以上説明した本発明の実施の形態に係る微細パターン測定方法によれば、微細パターンの側壁形状などの３次元情報をＣＤ−ＳＥＭを使って高速かつ高精度に取得することができるため、この方法で取得した情報を転写シミュレーションに利用することができる。転写シミュレータは、ＣＤ−ＳＥＭによって得られた寸法値などの２次元情報及び側壁形状などの３次元情報を入力し、所望する寸法パターンの転写像が得られるようにシミュレーションを行う。本発明の実施に形態における微細パターン測定方法を用いて取得した情報を転写シミュレーションに利用することで、マスク検査の精度及びスピードを向上させることができる。

図３は、本発明の実施の形態に係るＳＥＭ装置の測定方法及び測定装置の一例を示すブロック図である。図３に示すように、１は、測定したいパターンの画像を取得する画像取得部である。２は、取得した画像に対してノイズ除去処理などの測定前処理を実施する画像処理部である。２において処理された画像は、３の画像表示部に表示されると共に、４の画像データ保存部にビットマップ形式で保存される。次に、５の画像処理部では保存されたパターン画像の信号プロファイルを生成する。次に、６のデータ処理部で信号プロファイルを微分し、パターンボトム部の裾引きに相当する微分ピーク値を算出する処理が行われ、７の数値データ保存部に微分ピーク値が保存される。次に、８のデータ解析部で測定対象パターンの裾引きを算出する処理が行われる。最後に、この結果が９のファイルやプリンタ、モニタ等の結果表示部に表示される。

図４は、本発明の実施の形態に係る微細パターン測定手順及び転写シミュレーションを利用してマスクの検査を行う流れを説明するフロー図である。まず、Ｓ１０１において、測定対象パターン上をビームで走査し、走査像を取得する。次に、Ｓ１０２において、得られた走査像に画像処理を施し、信号プロファイルを生成する。次に、Ｓ１０３において、信号プロファイルを微分して微分プロファイルを生成し、Ｓ１０４において、パターンエッジのボトム部に相当する微分ピーク値を抽出する。次に、Ｓ１０５において、微分ピーク値を近似式に代入し裾引き値を算出する。次に、Ｓ１０６において、検査対象マスクの転写シミュレーションを実施する。次に、Ｓ１０７において、所望する寸法パターンの転写像が得られたかの判定を行う。その結果、所望する寸法パターンの転写像が得られなかったマスクは不良品と判定し、再度マスクを作製する。一方、所望する寸法パターンの転写像が得られた場合は、検査を終了する。

以下、本発明の実施例に係る微細パターン測定方法について具体的な実施例を示す。

本実施例ではマスク上の微細パターンに対して測定を行った。測定したマスクはＣｒ（クロム）とＱｚ（石英基板）で構成されたバイナリタイプのマスクであり、Ｃｒがパターン部分に相当する。

＜裾引き値と微分ピーク値との関係図を作成＞
まず、裾引き値と微分ピーク値との関係図を作成するため、いくつかの微細パターンに対して測定を行った。以下、一つの微細構造パターンに対して実施した測定例を図を参照して説明する。

まず、試料に対してビームを走査させ、図５に示す走査画像を取得した。次に、画像処理を施し、図６に示す信号プロファイルを生成した。図６は、縦軸に輝度値を示し、横軸に位置［ｎｍ］を示す。次に、図７に示す信号プロファイルを微分し、パターンエッジ部のボトム部分に相当する微分ピーク値を抽出した。図７は、縦軸に微分値を示し、横軸に位置［ｎｍ］を示す。また、図７の丸で囲った部分は、パターンエッジ部のボトム部分に相当する微分ピーク値を示す。次に、図８に示す断面ＳＥＭ観察により実際のパターンの断面像を取得し、裾引き値を曲率半径として取得した。同様の測定を他の微細パターンに対しても行い、図９に示す裾引き値と微分ピーク値との関係をグラフにプロットした。図９は、縦軸に裾引き値［ｎｍ］を示し、横軸に微分ピーク値を示す。次に、グラフから近似直線式であるｙ＝−０．７７ｘ＋７０．６０、ｙ：裾引き値、ｘ：微分ピーク値を導出した。

＜裾引き値の算出＞
次に膜種、膜厚が同じで裾引き値が未知である試料を用意し測定を行った。試料に対しビームを走査させ、走査画像を取得し、信号プロファイル及び微分プロファイルを生成した。微分プロファイルにおいてパターンエッジ部のボトム部分に相当する微分ピーク値を抽出した。このとき得られた微分ピーク値は６６．２であった。取得した微分ピーク値を近似直線式に代入し、裾引き値１９．６ｎｍを算出した。なお、断面ＳＥＭを使って、この微細パターンの裾引き値を測定した結果が１９．２ｎｍとなり、本発明の実施例の微細パターン測定方法を用いた測定結果とほぼ一致した。

本発明の微細パターン測定方法は、微細構造体パターンの裾引きを測定することができることから、半導体、フォトマスク、ナノインプリントなどの微細パターンを有する分野に利用することができる。

Ｓ１０１…測定試料の走査画像取得、Ｓ１０２…信号プロファイルを生成、Ｓ１０３…微分プロファイルを生成、Ｓ１０４…微分ピーク値を抽出、Ｓ１０５…取得した微分ピーク値を近似式に代入し裾引き値を算出、Ｓ１０６…取得した裾引き値及び寸法値を用いて転写シミュレーションを実施、Ｓ１０７…所望する寸法パターンは得られたかを判定。

Claims (6)

1. フォトマスクの微細パターンの画像を取得し、
   前記画像を処理して信号プロファイルを生成し、
   前記信号プロファイルを処理して微分プロファイルを生成し、
   前記微分プロファイルから前記微細パターンの微分ピーク値を算出して、前記微細パターンのボトム部の裾引きを算出することを特徴とする微細パターン測定方法。
2. 前記微細パターンの画像はＳＥＭ画像であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターン測定方法。
3. 前記微細パターンのボトム部の裾引きは、あらかじめ複数の前記微細パターンから微分ピーク値と裾引きの関係図及び近似式から算出することを特徴とする請求項１または２に記載の微細パターン測定方法。
4. フォトマスクの微細パターンの画像を取得する手段と、
   前記画像を処理して信号プロファイルを生成する手段と、
   前記信号プロファイルを処理して微分プロファイルを生成する手段と、
   前記微分プロファイルから前記微細パターンの微分ピーク値を算出して、前記微細パターンのボトム部の裾引きを算出する手段と、
   を有することを特徴とする微細パターン測定装置。
5. 前記微細パターンの画像はＳＥＭ画像であることを特徴とする請求項４に記載の微細パターン測定装置。
6. 前記微細パターンのボトム部の裾引きは、あらかじめ複数の前記微細パターンから微分ピーク値と裾引きの関係図及び近似式から算出することを特徴とする請求項４または５に記載の微細パターン測定装置。