JP5672800B2 - フォトマスクの評価システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスパターンを露光するためのフォトマスクを評価する技術に関する。

半導体回路のパターン形成の際には、パターンを搭載したフォトマスクを原版として、露光機により縮小投影し、ウェハ上に所望の回路パターンを形成する。フォトマスクはクオーツと遮光帯からなる。フォトマスクは電子ビームによるレジストの解像、エッチングにより加工される。

マスク製造時には、様々な要因によって本来、パターンのないところに異物などの欠陥が発生する場合がある。マスクの欠陥は、ウェハに転写される場合には、すべてのショットに転写され、ショット共通の欠陥となる。これらのウェハ上の欠陥により、ショートなどが起きて最終的な電気特性に影響を与える懸念がある。

前記のマスク欠陥起因のウェハ欠陥発生を防止するには、マスクの欠陥を検査し、修正する必要がある。欠陥の検査方法としては、欠陥検査装置により、２つのＤｉｅを比較するＤｉｅ ｔｏ Ｄｉｅ（又はＤｉｅ−Ｄｉｅ検査）と、Ｄｉｅとデザインを比較するＤｉｅ ｔｏ Ｄｅｓｉｇｎ（又はＤｉｅ−Ｄｅｓｉｇｎ検査）とがある。この場合、欠陥検査装置には、光学顕微鏡しかなく、検出された欠陥の詳細な状況がわからない。そこで、欠陥の座標を欠陥検査装置から走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、SEM）に送り込み、観察する必要がある。走査型電子顕微鏡は、細い電子線で試料を走査し、電子ビームを対象に照射し、対象物から放出される２次電子を検出することで対象物を観察する顕微鏡である。

また、露光装置において、光がマスクパターンを通過する際には、光は回折光となる。光路差が波長の整数倍になる回折光の中でも、回折角の小さい低周波数の回折光のみが露光機のレンズに捕捉されてウェハ上で結像する。そして、高周波の回折光の情報はウェハに伝達されないために、マスクのパターンはパルス状であっても、ウェハでの光強度は鈍った形状となる。そのため、マスクの欠陥を走査型電子顕微鏡で観察しただけでは、致命的な欠陥であるかどうかは正確に判断できない。

そこで、エアリアルイメージング装置でマスクの欠陥の光学像を得て、欠陥修正の可否判断をすることになる。エアリアルイメージング装置は、ウェハの露光機と等価なレーザー、照明系、レンズを有し、実際の露光プロセスのレジスト像と等価の結像結果を得ることが可能である。

ここで、ウェハの露光に際しては、マスクで同じ線幅でもピッチやパターンの周辺の状況により、ウェハ上での寸法が異なるという近接効果の問題がある。そこで、露光の際に、ウェハ上で設計に忠実なパターンを形成できるようにＯＰＣ（Optical Proximity Correction）処理を施すのが通例である。ＯＰＣは、パターンのエッジを分割し、分割したエッジを移動する処理とハットやセリフなどの図形を付加する処理などからなる。

従来のＯＰＣは、マスクプレーンとウェハプレーン間の図形の最適化であった。そのため、マスクプレーンのハットやセリフなどのＯＰＣ図形は、レンズで欠落してしまう高周波の情報を含んでいるために、近接効果補正の厳密解ではなかった。そこで、新たなＯＰＣの手法としてＳＭＯ（Source Mask Optimization）が検討されている。ＳＭＯのＭＯ(
Mask Optimization）は、レンズの瞳面とウェハプレーン間の最適化である。すなわち、レンズ瞳面の回折光の振幅や位相をウェハプレーンで最大のコントラストが得られるように最適化する。更に、Ｓｏｕｒｃｅの最適化であるＳＯ（Source Optimization）も並行して進めるのがＳＭＯである。

ここで、レンズの瞳面で最適化した回折光を逆フーリエ変換するとＳＭＯのマスクパターンが得られる。ＳＭＯのマスクパターンは、補助パターンと組み合わせた場合には、ウェハ上のターゲットである設計パターンとは異なったマスクパターンとなる。ＳＭＯを施されたパターンを搭載したマスクの寸法保証は本パターン、補助パターンなどの複数パターンの寸法測定が必要である。しかし、このような複数パターンの寸法測定による寸法保証は、効率が悪く、非現実的であった。

また、レンズを通過した回折光は、ウェハ上の特定の位置で結像する。複数の回折光の位相が同等の場合、最も高いコントラストが得られ、この場合の露光機のステージ高さが、ベストフォーカスとなる。実際、ウェハ上には段差がある。このウェハ上の段差により、位相がずれてコントラストが低下し、寸法変化を招く。ここで、所定の寸法範囲に収まる高さの範囲をＤＯＦ（Depth Of Focus）と定義される。このＤＯＦが大きいほど、マージンを有するリソグラフィプロセスとなる。ＳＭＯにおける複雑な補助パターンは、このようなＤＯＦを大きくする効果がある。しかし、マスク寸法がターゲット通りに出来て初めて、ＤＯＦは保証される。よって、ＳＭＯマスクにおいては寸法保証のみならず、ＤＯＦの保証も必要である。

特許文献１では、走査型電子顕微鏡において、パターンのデザインデータを画像に変換し、観察したパターンと照合し、自動測定レシピのパターンマッチング精度を高めている。パターンデザインデータをリソグラフィシミュレータによってシミュレーションすることは、条件の設定ができないことにより、否定されている。

特開２００６−３５１７４６号公報

ところで、マスクの欠陥を修正する場合には、欠陥装置で欠陥を検出し、走査型電子顕微鏡により高倍率で観察して、更にイメージング装置の光強度から、欠陥のウェハ転写性を見積もっていた。しかし、イメージング装置のスループットは低く、効率良くマスク欠陥の転写性を判断する手法が必要とされていた。

また、ＳＭＯによる複雑なＯＰＣでは、マスクパターンとウェハパターンが一致しない。マスク上の複数パターンの影響により、ウェハ上にパターンが形成されるので、マスク上の個々のパターン寸法を測定してもウェハ上のパターンを保証することはできない。

また、ＳＭＯは、ウェハ転写のＤＯＦを確保するための技術であり、ＤＯＦも保証しなければならない。現状のイメージング装置ではスループットが低く、効率が悪い。また、現状のイメージング装置はＳＭＯのフリーフォームの照明系には対応していないので、正確な光強度が得られない。
本発明の課題は、マスク欠陥のウェハ転写性を効率良く評価し、ＳＭＯが適用されているマスクのウェハ上の寸法やＤＯＦを効率良く評価することである。

課題を解決するために、請求項１に係る発明は、走査型電子顕微鏡によりＳＭＯ（Source Mask Optimization）が適用されたフォトマスクを撮像して得た画像を基に、フォトマスクのパターンの輪郭を抽出する抽出手段と、前記抽出手段が抽出したフォトマスクのパターンの輪郭を基にリソグラフィシミュレーションによる演算を行うリソグラフィシミュレータ手段と、前記リソグラフィシミュレータ手段の演算結果を基に算出されたウェハＣＤ（Critical Dimension）から、フォトマスクの欠陥のウェハへの転写の状態を取得する取得手段と、を備えることを特徴とするフォトマスクの評価システムである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１の記載において、前記リソグラフィシミュレーションは、二次元フォトマスクから光強度を得るように構築されたリソグラフィシミュレーションであることを特徴とするフォトマスクの評価システムである。
また、請求項３に係る発明は、請求項１の記載において、前記リソグラフィシミュレーションは、マクスウェルの式を基に三次元マスクから光強度を得るように構築されたリソグラフィシミュレーションであることを特徴とするフォトマスクの評価システムである。

また、請求項４に係る発明は、請求項１の記載において、前記リソグラフィシミュレーションは、レジストモデルのリソグラフィシミュレーションであることを特徴とするフォトマスクの評価システムである。
また、請求項５に係る発明は、請求項１の記載において、前記リソグラフィシミュレーションは、エッチングモデルのリソグラフィシミュレーションであることを特徴とするフォトマスクの評価システムである。

また、請求項６に係る発明は、走査型電子顕微鏡によりＳＭＯ（Source Mask Optimization）が適用されたフォトマスクを撮像して得た画像を基に、フォトマスクのパターンの輪郭を抽出し、抽出したフォトマスクのパターンの輪郭を基にリソグラフィシミュレーションによる演算を行い、演算結果を基に算出されたウェハＣＤ（Critical Dimension）から、フォトマスクの欠陥のウェハへの転写の状態を評価することを特徴とするフォトマスクの評価方法である。

本発明によれば、走査型電子顕微鏡により得たフォトマスクの画像を基にリソグラフィシミュレーションによる演算を行うことで、フォトマスクの欠陥のウェハへの転写の状態、フォトマスクのウェハ上の寸法、又はＤＯＦ（Depth Of Focus）を効率良く評価できるようになる。

第１の実施形態のフォトマスクの評価システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態のフォトマスクの評価システムにおける処理の処理手順を示すフローチャートである。 第２の実施形態のフォトマスクの評価システムの構成を示すブロック図である。 第２の実施形態のフォトマスクの評価システムにおける処理の処理手順を示すフローチャートである。

（第１の実施形態）
（構成）
第１の実施形態は、フォトマスクの評価システムである。
図１は、フォトマスクの評価システム１の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、フォトマスクの評価システム１は、走査型電子顕微鏡２及び演算処理部１０を有する。例えば、演算処理部１０は、写真取得部１１、輪郭抽出処理部１２、リソグラフィシミュレータ部１３、及びウェハＣＤ算出部１４を有する。演算処理部１０は、外付けの装置であり、例えば、演算処理機能を有するユーザインターフェースとしてのパーソナルコンピュータである。

走査型電子顕微鏡２では、マスク（フォトマスク）がロードされてこれを観察する。写真取得部１２では、マスクパターンの写真を撮り、輪郭抽出部１３では、その写真を基に、マスクパターンの輪郭線を抽出する。リソグラフィシミュレータ部１３は、所定の条件が予め設定されており、ウェハ上のマスクパターンの輪郭を得る。そして、ウェハＣＤ算出部１４では、ウェハＣＤ（Critical Dimension）を得る。さらに、ウェハＣＤを基にオペレーターがマスクの修正の可否を判断する。

図２は、フォトマスクの評価システム１により実現される処理であり、マスク欠陥のウェハ転写性を評価する処理の処理手順を示すフローチャートである。
図２に示すように、先ずステップＳ１において、マスクの欠陥の座標を取得する。具体的には、不図示のマスクの欠陥検査装置でマスクの欠陥が検出されて、その欠陥の座標が走査型電子顕微鏡２に送られてくる。

続くステップＳ２において、マスクを走査型電子顕微鏡２にロードする。これにより、走査型電子顕微鏡２では、欠陥の座標を基に、マスクの欠陥を観察する。
続くステップＳ３において、写真取得部１２が、走査型電子顕微鏡２によりマスクパターンの写真を撮る。
続くステップＳ４において、輪郭抽出処理部１３が、前記ステップ３で得た写真を用いて、マスクパターンの輪郭線を抽出する輪郭抽出処理を行う。

続くステップＳ５において、レンズの開口数、照明系のコヒーレントファクターが予め設定されたリソグラフィシミュレータ部１３が、前記ステップＳ４で抽出した輪郭線データからウェハ上のシミュレーションを行う。例えば、二次元フォトマスクから光強度を得るように構築されたリソグラフィシミュレーションを行う。

続くステップＳ６において、ウェハＣＤ算出部１４が、前記ステップＳ５のリソグラフィシミュレータ部１３のシミュレーション結果を基に、ウェハＣＤの算出を行う。ウェハＣＤは、ウェハ面上にパタン転写したときのウェハの重要寸法である。ウェハＣＤ算出部１４は、このようなウェハＣＤを基に、ウェハ転写の状態（ウェハ転写性）を取得する。
続くステップＳ７において、前記ステップＳ５で得たウェハＣＤ又はウェハ転写性を基にオペレーターがマスクの修正の可否を判断する。

（作用、効果等）
第１の実施形態では、走査型電子顕微鏡２を用いてマスクを撮像し、撮像して得た写真を基に、マスクのパターンの輪郭を抽出し、抽出したマスクのパターンの輪郭を基にリソグラフィシミュレーションによる演算を行い、演算結果を基に、フォトマスクの欠陥のウェハ転写性を取得している。

このように、第１の実施形態では、走査型電子顕微鏡２により得たマスクの画像を基にリソグラフィシミュレーションによる演算を行うことで、マスクの評価、具体的には、マスクの欠陥のウェハ転写性を効率良く評価できるようになる。
なお、第１の実施形態では、抽出手段として輪郭抽出処理部１３を用いている。また、取得手段としてウェハＣＤ算出部１４を用いている。

（第２の実施形態）
（構成）
図３は、第２の実施形態のフォトマスクの評価システム１の構成を示すブロック図である。
図３に示すように、第２の実施形態のフォトマスクの評価システム１は、第１の実施形態と同様に、走査型電子顕微鏡２及び演算処理部１０を有する。第２の実施形態では、演算処理部１０は、ＤＯＦ（Depth Of Focus）算出部１６を有する。

図４は、第２の実施形態のフォトマスクの評価システム１により実現される処理であり、ＳＭＯパターンのウェハ転写性を評価する処理の処理手順を示すフローチャートである。
図４に示すように、先ずステップＳ１１において、ＳＭＯが適用されているマスクを走査型電子顕微鏡２にロードする。

続くステップＳ１２において、写真取得部１２が、走査型電子顕微鏡２によりマスクパターンの写真を撮る。
続くステップＳ１３において、輪郭抽出処理部１３が、前記ステップ１２で得た写真を用いて、ＳＭＯが適用されているマスクパターンの輪郭線を抽出する輪郭抽出処理を行う。

続くステップＳ１４において、レンズの開口数、照明系のコヒーレントファクター、レジスト膜厚、レジストの拡散長等が予め設定されたリソグラフィシミュレータ部１３が、前記ステップＳ１３で抽出した輪郭線データからウェハ上のシミュレーションを行う。
続くステップＳ１５において、ウェハＣＤ算出部１４が、前記ステップＳ１４のリソグラフィシミュレータ部１３のシミュレーション結果を基に、ウェハＣＤの算出を行う。そして、ウェハＣＤ算出部１４は、ウェハＣＤを基に、ウェハ転写性やウェハ上の寸法を算出する。
続くステップＳ１６において、ＤＯＦ算出部１６が、前記ステップＳ１４のリソグラフィシミュレータ部１３のシミュレーション結果を基に、ＤＯＦを算出する。

（作用、効果等）
第２の実施形態では、走査型電子顕微鏡２を用いてＳＭＯが適用されているマスクを撮像し、撮像して得た写真を基に、マスクのパターンの輪郭を抽出し、抽出したマスクのパターンの輪郭を基にリソグラフィシミュレーションによる演算を行い、演算結果を基に、ウェハ上の寸法やＤＯＦを算出している。

このように、第２の実施形態では、走査型電子顕微鏡２により得たマスクの画像を基にリソグラフィシミュレーションによる演算を行うことで、マスクの評価、具体的には、ＳＭＯが適用されているマスクのウェハ上の寸法やＤＯＦを効率良く評価できるようになる。

また、イメージング装置では、該当する照明系がないと正確なウェハ上寸法を得ることができないが、第２の実施形態では、そのようなことがない。さらに、マスク上の１０点のパターンを測定する場合のスループットについては、第２の実施形態のフォトマスクの評価システム１では、イメージング装置の３倍程度となる実施結果を得ることもできた。

（実施形態の変形例）
実施形態の変形例として、リソグラフィシミュレーションに、マクスウェルの式を基に三次元マスクから光強度を得るように構築されたリソグラフィシミュレーションを用いることもできる。

また、実施形態の変形例として、リソグラフィシミュレーションに、レジストモデルのリソグラフィシミュレーションを用いることもできる。
また、実施形態の変形例として、リソグラフィシミュレーションに、エッチングモデルのリソグラフィシミュレーションを用いることもできる。
また、実施形態の変形例として、走査型電子顕微鏡２そのものが演算処理部１０を有する構成とすることもできる。すなわち、走査型電子顕微鏡２のユーザインターフェース等に演算処理部１０の機能をもたせることもできる。

１ フォトマスクの評価システム、２ 走査型電子顕微鏡、１０ 演算処理部、１１ 写真取得部、１２ 輪郭抽出処理部、１３ リソグラフィシミュレータ部、１４ ウェハＣＤ算出部、１６ ＤＯＦ算出部

Claims (6)

1. 走査型電子顕微鏡によりＳＭＯ（Source Mask Optimization）が適用されたフォトマスクを撮像して得た画像を基に、フォトマスクのパターンの輪郭を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段が抽出したフォトマスクのパターンの輪郭を基にリソグラフィシミュレーションによる演算を行うリソグラフィシミュレータ手段と、
   前記リソグラフィシミュレータ手段の演算結果を基に算出されたウェハＣＤ（Critical Dimension）から、フォトマスクの欠陥のウェハへの転写の状態を取得する取得手段と、
   を備えることを特徴とするフォトマスクの評価システム。
2. 前記リソグラフィシミュレーションは、二次元フォトマスクから光強度を得るように構築されたリソグラフィシミュレーションであることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスクの評価システム。
3. 前記リソグラフィシミュレーションは、マクスウェルの式を基に三次元マスクから光強度を得るように構築されたリソグラフィシミュレーションであることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスクの評価システム。
4. 前記リソグラフィシミュレーションは、レジストモデルのリソグラフィシミュレーションであることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスクの評価システム。
5. 前記リソグラフィシミュレーションは、エッチングモデルのリソグラフィシミュレーションであることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスクの評価システム。
6. 走査型電子顕微鏡によりＳＭＯ（Source Mask Optimization）が適用されたフォトマスクを撮像して得た画像を基に、フォトマスクのパターンの輪郭を抽出し、
   抽出したフォトマスクのパターンの輪郭を基にリソグラフィシミュレーションによる演算を行い、
   演算結果を基に算出されたウェハＣＤ（Critical Dimension）から、フォトマスクの欠陥のウェハへの転写の状態を評価することを特徴とするフォトマスクの評価方法。

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