JP6343705B2 - パターン評価方法およびパターン評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、パターン評価方法およびパターン評価装置に関する。

大規模集積回路（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ＬＳＩ）の高集積化および大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路寸法は狭小化の一途を辿っている。半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（マスクまたはレチクルを指す。以下では、マスクと総称する。）を用い、いわゆるステッパまたはスキャナと呼ばれる縮小投影露光装置でウェハ上にパターンを露光転写して回路形成することにより製造される。

多大な製造コストのかかるＬＳＩの製造にとって、歩留まりの向上は欠かせない。一方、最近の代表的なロジックデバイスでは、数十ｎｍの線幅のパターン形成が要求される状況となってきている。ここで、歩留まりを低下させる大きな要因として、マスクパターンの形状欠陥が挙げられる。具体的には、パターンエッジの凹凸（エッジラフネス）、パターンの線幅異常、パターンの位置ずれによる隣接パターンとの空隙異常などである。

半導体ウェハ上に形成されるＬＳＩパターン寸法の微細化に伴い、マスクパターンの形状欠陥も微細化している。また、マスクの寸法精度を高めることで、プロセス諸条件の変動を吸収しようとしてきたこともあり、マスク検査においては、極めて小さなパターンの欠陥を検出することが必要になっている。このため、ＬＳＩ製造に使用される転写用マスクのパターンを評価する装置に対して高い精度が要求されている。特許文献１には、マスク上における微細な欠陥を検出することのできる検査装置が開示されている。

特許第４２３６８２５号公報 特開２０１２−０２１９５９号公報 国際公開第２００８／１５２８０１号明細書 特開２０１２−１４５３３４号公報

近年、微細パターンを形成する技術として、ナノインプリントリソグラフィ（Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ；ＮＩＬ）が注目されている。この技術は、ウェハ上のレジストに、ナノスケールの微細構造を有するモールド（型）を圧力印加することで、レジストに微細なパターンを形成するものである。

ナノインプリント技術では、生産性を上げるために、原版となるマスターテンプレートを用いて、複製のテンプレート（レプリカテンプレート）を複数作成し、各レプリカテンプレートを異なるナノインプリント装置に装着して使用する。レプリカテンプレートは、マスターテンプレートに正確に対応するように製造される必要がある。このため、マスターテンプレートはもちろんのこと、レプリカテンプレートのパターンを評価する際にも高い精度が要求される。

ところで、マスクは、一般に、回路寸法の４倍の寸法を持って形成される。かかるマスクを用い、縮小投影露光装置でウェハ上のレジストにパターンを縮小露光した後、現像することによって半導体の回路パターンが形成される。これに対し、ナノインプリントリソグラフィにおけるテンプレートは、回路寸法と等倍の寸法で形成される。このため、テンプレートのパターンにおける形状欠陥は、マスクのパターンにおけるそれよりも、ウェハ上に転写されるパターンへの影響度が大きい。したがって、テンプレートのパターンを評価するにあたっては、マスクのパターンを評価する場合よりもさらに高い精度が必要になる。

しかしながら、回路パターンの微細化が進む昨今にあっては、パターン評価装置における光学系の解像度よりも、パターンの寸法の方が微細となってきている。例えば、テンプレートに形成されるパターンの線幅が４０ｎｍ以下であると、光学系の実現が比較的容易な１９０〜２００ｎｍ程度の波長をもつＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を用いた光源では解像できない。そこで、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：電子ビーム）を用いた光源が使用されているが、スループットが低く、量産に適さないという問題がある。

本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、微細なパターンを精度よく、また、スループットの低下を引き起こさずに評価することのできるパターン評価方法およびパターン評価装置を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、光学系を構成する光源からの光を照射して、前記光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンを有する試料を直接撮像した光学画像を取得する工程と、
前記光学画像の各画素に階調値を付与し、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める工程と、
所定のパターンについて線幅と階調値の関係式をたて、前記関係式を用いて前記平均階調値を前記繰り返しパターンの前記単位領域における平均的な線幅情報に換算する処理、および、前記階調値のばらつきを表す標準偏差をもとに当該階調値の標準偏差に比例する前記繰り返しパターンのエッジの凹凸（ラフネス）の標準偏差を算出する処理の少なくとも一方を行い、得られた換算値および算出値の少なくとも一方を用いて、前記平均的な線幅情報および前記ラフネスの少なくとも一方の分布を表すマップを作成する工程と、
を有することを特徴とするパターン評価方法に関する。

本発明の第１の態様において、前記光の波長は、前記繰り返しパターンのピッチの２倍以上長いことが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記光は、遠紫外光であることが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記繰り返しパターンは、ライン・アンド・スペースパターンであって、
前記平均的な線幅情報は、前記ライン・アンド・スペースパターンのラインの幅の平均値であることが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記繰り返しパターンは、ライン・アンド・スペースパターンであって、
前記ラフネスは、前記ライン・アンド・スペースパターンのラインのラフネスであることが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記ラインの設計幅は４０ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明の第２の態様は、画像センサによって評価対象となるパターンを直接撮像した光学画像を取得する光学画像取得部と、
前記光学画像の各画素に階調値を付与し、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める光学画像処理部と、
所定のパターンについて線幅と階調値の関係式をたて、前記関係式を用いて前記平均階調値を前記パターンの前記単位領域における平均的な線幅情報に換算する処理、および、前記階調値のばらつきを表す標準偏差をもとに当該階調値の標準偏差に比例する前記繰り返しパターンのエッジの凹凸（ラフネス）の標準偏差を算出する処理の少なくとも一方を行い、得られた換算値および算出値の少なくとも一方を用いて、前記平均的な線幅情報および前記ラフネスの少なくとも一方の分布を表すマップを作成するマップ作成部とを有し、
前記光学画像取得部は、前記パターンに光を照射する光源と、前記パターンを透過または反射した前記光源からの光を前記画像センサに直接結像するレンズとを備えており、
前記光源からの光の波長と前記レンズの開口数によって定まる解像限界は、前記パターンを解像しない値であることを特徴とするパターン評価装置に関する。

本発明の第２の態様において、前記光源からの光は、前記パターンのピッチの２倍以上長い波長であることが好ましい。

本発明の第２の態様において、前記光源からの光は、遠紫外光であることが好ましい。

本発明の第２の態様は、前記光学画像を基準画像と比較して、これらの差分値が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する比較部を有することが好ましい。

本発明の第２の態様において、前記基準画像は、前記パターンの設計データから作成された参照画像であり、
前記参照画像を作成する参照画像作成部を有していて、
前記参照画像作成部で作成された参照画像が前記比較部に送られることが好ましい。

本発明の第１の態様によれば、微細なパターンを精度よく、また、スループットの低下を引き起こさずに評価することのできるパターン評価方法が提供される。

本発明の第２の態様によれば、微細なパターンを精度よく、また、スループットの低下を引き起こさずに評価することのできるパターン評価装置が提供される。

ライン・アンド・スペースパターンを模式的に示す図である。 図１のパターンの光学画像をシミュレーションにより求めたものである。 本実施の形態におけるパターン評価装置の構成を示す図である。 光学画像の取得手順を説明する図である。 ライン・アンド・スペースパターンの線幅分布マップの一例である。 ライン・アンド・スペースパターンにおけるラフネスの分布マップの一例である。 展開回路、参照回路および比較回路を有するパターン評価装置の構成図である。

ウェハ上に形成されるパターンの多くは、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンである。したがって、ナノインプリントリソグラフィで使用されるテンプレートにもかかる繰り返しパターンが形成される。

ＤＵＶ光を用いた光学系によって、線幅が４０ｎｍ以下であるパターンを結像しようとする場合、理論限界のレンズ（開口数ＮＡ＝１）を用いたとしても、このパターンを解像することはできない。しかしながら、かかるパターンが繰り返しパターンである場合において、パターンの一部でエッジラフネスが大きくなったり、パターンの一部が欠けたりすると、規則性に乱れが生じて光学画像の階調値が変化するようになる。

図１は、ライン・アンド・スペースパターンを模式的に示したものである。図１において、パターンの寸法は、光学系の解像限界より小さいとする。

図１の領域Ａでは、パターンエッジラフネスが大きくなっている。また、領域Ｂでは、ラインパターンの一部が欠けている。

図２は、図１のパターンの光学画像をシミュレーションにより求めたものである。図２において、パターンは解像されていないが、図１の形状欠陥に対応する位置（領域Ａ’と領域Ｂ’）に、周囲とは階調値の異なる領域があることが分かる。

このように、光学系の解像限界より小さい線幅のライン・アンド・スペースパターンであっても、エッジラフネスや欠けによる形状欠陥があると、パターンの規則性に乱れが生じて、形状欠陥がある箇所の階調値が、周囲の階調値とは異なるようになる。この特性を利用して、エッジラフネスの程度を算出することや、欠けによる形状欠陥の有無を検知することが可能となる。エッジラフネスは、描画やエッチングなどのパターンを形成する工程で発生する。したがって、ラフネスの程度およびそのラフネスの程度の面内分布を知ることは、前述の描画やエッチング工程の条件設定にフィードバックできるという有用性を有する。本発明では、このラフネスの程度をテンプレートの全域で計測し、その分布を表示することを可能とする。

一方、規則性に乱れがない規則的なパターンであっても、そのパターンの平均階調値を計測することにより、ライン・アンド・スペースにおけるラインとスペースの比率を計測することが可能である。この場合、階調値が変化する原因は、次のように考えることができる。

ナノインプリント用のテンプレートに形成されたパターンは、モールドによりパターンを転写する目的から、深さ数十ｎｍの微細な凹凸により形成されている。このような形状を有する解像限界以下のライン・アンド・スペースに対して照射された光は、掘り込み領域（スペース）からの反射光と、残し領域（スペース）からの反射光とが干渉し、反射率が減衰ないしは増強される。ところが、ラインとスペースの割合が変化してどちらかに偏ると、干渉効果が減少し、反射率がフレネル反射のときの値に近づく。そして、スペース１００％ないしはライン１００％の極限条件では、フレネル反射の値に等しくなる。

このように、ライン・アンド・スペースパターンにおいては、ラインの割合によって反射光の光量が変化する。尚、ラインとスペースは表裏の関係にあるため、スペースの割合によって反射光の光量が変化すると言うこともできる。この特性を利用して、ライン・アンド・スペースのパターンにおける、ラインとスペースの割合を算出することが可能となる。

テンプレートの製造工程において、パターンピッチの精度は、描画装置の性能にのみ依存する。これに対して、線幅の精度は、エッチングなどの工程にも依存する。したがって、パターンピッチの精度は、線幅の精度に比較して高くなり、固定値とみなすことができる。このことは、前述のラインとスペースの割合によって線幅が表されることを意味している。ラインやスペースは、描画やエッチングなどのパターン形成工程で形成されるので、線幅という概念もパターン形成工程によって生まれる。それ故、線幅の面内分布を把握して、これを描画やエッチングの工程にフィードバックすることは、欠陥の低減の点から有用である。本発明では、平均階調値から得られる線幅情報をテンプレートの全域で計測し、その分布を表示することを可能とする。

次に、本実施の形態のパターン評価方法について詳述する。この評価は、パターンの均一性に対して行われる。すなわち、パターンがどの程度均一に形成されているかを、パターンエッジの凹凸（ラフネス）、パターンの欠け、パターンの線幅異常、または、パターンの位置ずれの程度によって評価する。尚、上記で述べた光学系を、以下では観察光学系とも言う。

まず、被評価試料の光学画像を取得する。

被評価試料には、繰り返しパターンとしてのライン・アンド・スペースパターンが形成されている。例えば、被評価試料に対し、その上方に配置された光源から光を照射する。光源から出射される光は、パターンピッチの２倍以上長い波長であることが好ましい。被評価試料の下方には、対物レンズ、画像センサが配列されたフォトダイオードアレイ、センサ回路が配置されており、被評価試料を透過した光は、対物レンズを介して、フォトダイオードアレイに光学像として結像する。ここで、光源、対物レンズ、フォトダイオードアレイおよびセンサ回路によって観察光学系が構成される。光源からの光の波長（λ）と、対物レンズの開口数（ＮＡ）とによって定まる解像限界（Ｒ＝λ／２ＮＡ）は、被評価試料に形成されたパターンを解像しない値である。光学系の倍率は、フォトダイオードアレイ１画素をテンプレート上の大きさに換算したときに、１画素のサイズが上記解像限界と等しいかそれ以下にすることが望ましい。これにより、ラフネス計測の精度を最大限に高めることが可能になる。

尚、本実施の形態においては、被評価試料の下方から光を照射し、反射光を対物レンズでフォトダイオードアレイに結像させてもよい。

光学画像における画素データは、画素毎の階調値で表現される。例えば、各画素に対して、２５６段階の階調値を有するグレースケールより、０階調から２５５階調のいずれかの値が与えられる。本実施の形態では、被評価試料の評価領域を所定の単位領域に分割し、各単位領域における平均階調値を取得する。所定の単位領域は、例えば、１ｍｍ×１ｍｍの領域とすることができる。

次いで、各単位領域の平均階調値を算出する。例えば、被評価試料における各ラインの幅および空隙が均一であるとする。この場合、各単位領域の平均階調値は一様な値となる。一方、例えば、特定の領域のラインの線幅が平均的に狭くなっていたり、あるいは、広くなっていたりすると、その線幅に応じて平均階調値に変化が生じる。そこで、算出された平均階調値を平均的な線幅情報に換算し、線幅のテンプレート面内での分布を出力する。

また、各単位領域における階調値のばらつきを調べることで、パターンエッジの凹凸（ラフネス）の程度を計測することもできる。パターンのエッジに凹凸がなければ、階調値にばらつきは生じない。一方、パターンのエッジに凹凸があると、階調値にバラつきが生じる。階調値の標準偏差は、パターンエッジの凹凸の標準偏差に比例するため、階調値の標準偏差を求めることにより、パターンエッジの凹凸の標準偏差を算出することができる。これにより、各単位領域で算出された標準偏差のテンプレート面内の分布を出力することができる。

本実施の形態の評価方法では、光学画像における画素毎の階調値と、評価領域を仮想的に分割する各単位領域の平均階調値とから、パターンの線幅の分布およびパターンエッジの凹凸（ラフネス）の分布の少なくとも一方を表すマップを作成する。具体的には、所定のパターンについて、寸法ＳＥＭで測定した線幅の値と、その光学像の階調値とを求めることにより、線幅と階調値の関係式を立てる。そして、この関係式を用いて、評価対象の光学画像から得られた平均階調値を、単位領域における線幅の平均値に換算する。同様にして、階調値のばらつき、すなわち、階調値の標準偏差をパターンエッジの凹凸（ラフネス）に換算する。次いで、換算された値を用いて、線幅の平均値の分布と、パターンエッジの凹凸（ラフネス）の分布の少なくとも一方を表わすマップを作成する。

上記マップを作成することにより、試料上のパターンの均一性の程度を把握することができる。そして、線幅やパターンエッジの凹凸にばらつきが大きいことが分かれば、パターンを形成する際のフォトリソグラフィの条件にフィードバックして、ばらつきが小さくなるよう、レジストの露光条件やエッチング条件などを最適化することができる。

次に、本実施の形態のパターン評価装置について説明する。

図３は、本実施の形態におけるパターン評価装置の構成を示す図である。図３に示すように、パターン評価装置１００は、光学画像取得部Ａと制御部Ｂを有する。

光学画像取得部Ａは、光源５と、レンズ６，８，１０４と、ミラー７と、フォトダイオードアレイ１０５と、センサ回路１０６とによって構成される観察光学系を有する。また、光学画像取得部Ａは、水平方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動可能なＸＹテーブル３と、レーザ測長システム１２２と、オートローダ１３０とを有する。尚、ＸＹテーブル３は、回転方向（θ方向）にも移動可能な構造とすることができる。

評価対象となる試料１は、垂直方向に移動可能なＺテーブル（図示せず）の上に載置されている。Ｚテーブルは、ＸＹテーブル３の上に設けられており、ＸＹテーブル３によって水平方向にも移動可能である。ここで、試料１には、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンが形成されている。試料１としては、例えば、ナノインプリント技術で用いられるテンプレートが挙げられる。

尚、試料１は、Ｚテーブルに設けられた支持部材により、３点で支持されることが好ましい。試料１を４点で支持する場合には、支持部材に対して高精度の高さ調整が必要となる。また、高さ調整が不十分であると、試料１が変形するおそれがある。これに対して、３点支持によれば、試料１の変形を最小限に抑えながら、試料１を支持することができる。支持部材は、例えば、頭面が球状のボールポイントを用いて構成される。また、例えば、３つの支持部材のうちの２つの支持部材は、試料１の四隅のうちの対角でない、隣接する二隅で試料１に接する。３つの支持部材のうちの残る１つの支持部材は、他の２つの支持部材が配置されていない二隅の間の領域に配置される。

上述した観察光学系は、試料１の上方および下方に配置されている。観察光学系の解像限界、すなわち、光源５からの光の波長（λ）と、レンズ１０４の開口数（ＮＡ）とによって定まる解像限界（Ｒ＝λ／２ＮＡ）は、試料１に形成されたパターンを解像しない値である。

観察光学系において、光源５は、試料１に対して、評価用の光を照射する。光源５から出射される光の波長は、パターンピッチの２倍以上である。パターン評価装置１００は、線幅が４０ｎｍ以下の微細パターンの評価に好適であり、光源５としては、ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を照射するものを用いることが好ましい。ＤＵＶ光によれば、微細なパターンを、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：電子ビーム）を用いる場合よりも高いスループットで評価することができる。

光源５からの光は、レンズ６を透過し、ミラー７で向きを変えられた後、レンズ８によって試料１の上に集光される。試料１の下方には、フォトダイオードアレイ１０５が配置されており、試料１を透過した光は、レンズ１０４によってフォトダイオードアレイ１０５に結像する。これにより、後述する光学画像が生成される。

尚、本実施の形態においては、試料１の下方から光を照射し、反射光をレンズでフォトダイオードアレイ１０５に結像させてもよい。

図４は、試料１に形成されたパターンの形状欠陥を評価するための光学画像の取得手順を説明する図である。

図４に示すように、試料１上の評価領域は、短冊状の複数のフレーム２０１，２０２，２０３，２０４，・・・に仮想的に分割されている。そして、各フレーム２０１，２０２，２０３，２０４，・・・が連続的に走査されるように、図３のＸＹテーブル３の動作が制御される。具体的には、ＸＹテーブル３がＸ方向に移動しながら、試料１の光学画像が取得される。そして、フォトダイオードアレイ１０５に、図４に示されるような走査幅Ｗの画像が連続的に入力される。すなわち、第１のフレーム２０１における画像を取得した後、第２のフレーム２０２における画像を取得する。この場合、ＸＹテーブル３が第１のフレーム２０１における画像の取得時とは逆方向に移動しながら光学画像を取得し、走査幅Ｗの画像がフォトダイオードアレイ１０５に連続的に入力される。第３のフレーム２０３における画像を取得する場合には、第２のフレーム２０２における画像を取得する方向とは逆方向、すなわち、第１のフレーム２０１における画像を取得した方向に、ＸＹテーブル３が移動する。尚、図４の斜線部分は、上記のようにして光学画像の取得が済んだ領域を模式的に表したものである。

次に、図３の制御部Ｂを説明する。

制御部Ｂでは、パターン評価装置１００全体の制御を司る制御計算機１１０が、データ伝送路となるバス１２０を介して、位置回路１０７、画像処理回路１０８、マップ作成回路１１２、オートローダ制御回路１１３、テーブル制御回路１１４、記憶装置の一例となる磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレキシブルディスク装置１１６、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）１１７、パターンモニタ１１８およびプリンタ１１９に接続されている。尚、画像処理回路１０８は、本発明の光学画像処理部に対応する。また、マップ作成回路１１２は、本発明のマップ作成部に対応する。

ＸＹテーブル３は、テーブル制御回路１１４によって制御されたＸ軸モータおよびＹ軸モータによって駆動される。これらのモータには、例えば、リニアモータを用いることができる。

上述したように、図３の光学画像取得部Ａは、試料１の光学画像（測定データ）を取得する。光学画像の具体的な取得方法の一例は、次の通りである。

試料１は、垂直方向に移動可能なＺテーブル（図示せず）の上に載置される。Ｚテーブルは、ＸＹテーブル３によって水平方向にも移動可能である。具体的には、ＸＹテーブル３は、制御計算機１１０の制御の下、テーブル制御回路１１４によって駆動され、Ｘ方向とＹ方向に駆動する駆動系によって移動可能となっている。Ｘ軸モータとＹ軸モータには、例えばステップモータを用いることができる。そして、ＸＹテーブル３の移動位置は、レーザ測長システム１２２により測定されて位置回路１０７に送られる。また、ＸＹテーブル３上の試料１は、オートローダ制御回路１１３により駆動されるオートローダ１３０から自動的に搬送され、検査終了後には自動的に排出される。

光源５は、試料１に対して、評価用の光を照射する。光源５から出射された光は、レンズ６を透過し、ミラー７で向きを変えられた後、レンズ８によって試料１の上に集光される。尚、レンズ８と試料１との距離は、Ｚテーブルを垂直方向に移動させることによって調整される。

光源５から照射されて試料１を透過した光は、レンズ１０４を介して、フォトダイオードアレイ１０５に光学像として結像する。

試料１の検査領域における光学画像の取得手順は、図４を用いて説明した通りである。そして、図３のフォトダイオードアレイ１０５上に結像したパターンの像は、フォトダイオードアレイ１０５によって光電変換され、さらにセンサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。フォトダイオードアレイ１０５には、画像センサが配置されている。本実施の形態の画像センサとしては、例えば、撮像素子としてのＣＣＤカメラを一列に並べたラインセンサが用いられる。ラインセンサの例としては、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサが挙げられる。ＸＹテーブル３がＸ軸方向に連続的に移動しながら、ＴＤＩセンサによって試料１のパターンが撮像される。

以上のようにして得られた光学画像は、図３の画像処理回路１０８へ送られる。

画像処理回路１０８では、光学画像における画素データが画素毎の階調値で表される。例えば、２５６段階の階調値を有するグレースケールより、０階調から２５５階調のいずれかの値が、各画素に与えられる。また、試料１の評価領域は、所定の単位領域に分割され、各単位領域における平均階調値が求められる。所定の単位領域は、例えば、１ｍｍ×１ｍｍの領域とすることができる。

画像処理回路１０８で得られた階調値と、各単位領域における平均階調値とは、マップ作成回路１１２へ送られる。

マップ作成回路１１２では、平均階調値がパターンの線幅の平均値に関連付けられる。また、各単位領域における階調値のばらつきがパターンエッジの凹凸（ラフネス）に関連付けられる。例えば、所定のパターンについて、寸法ＳＥＭで測定した線幅の値と、その光学像の階調値とを求めることにより、線幅と階調値の関係式を立てる。そして、この関係式をマップ作成回路１１２に記憶させる。ユーザは、関係式を用いて、画像処理回路１０８で得られた平均階調値を、単位領域における線幅の平均値に換算することができる。また、この関係式から、階調値のばらつき、すなわち、階調値の標準偏差をパターンエッジの凹凸（ラフネス）に換算することもできる。

次いで、マップ作成回路１１２は、線幅の平均値の分布と、パターンエッジの凹凸（ラフネス）の分布の少なくとも一方を表わすマップを作成する。作成されたマップは、例えば、磁気ディスク装置１０９に保存される。

図５は、ライン・アンド・スペースパターンの線幅分布マップの一例である。図中の数値は、階調値である。この場合、階調値１００の領域は、設計値に等しい線幅を有するパターンの領域に対応する。また、階調値９０の領域は、設計値より線幅が２ｎｍ狭いパターンの領域に対応する。さらに、階調値１１０の領域は、設計値より線幅が２ｎｍ広いパターンの領域に対応する。つまり、この例では、パターンの左上に行くほど線幅が狭くなり、右下に行くほど線幅が広くなる。

図６は、ライン・アンド・スペースパターンにおけるパターンエッジの凹凸（ラフネス）の分布マップの一例である。図中の数値は、階調値である。この場合、階調値９８の領域は、階調値の標準偏差が２ｎｍの領域に対応する。また、階調値１０２の領域は、階調値の標準偏差が３ｎｍの領域に対応する。つまり、この例では、パターンの左下または右上に行くほど、パターンエッジの凹凸（ラフネス）が大きくなる。

このように、図３のマップ作成回路１１２で作成されたマップから、試料１におけるパターンの均一性の程度を把握することができる。そして、線幅やパターンエッジの凹凸にばらつきが大きいことが分かれば、磁気ディスク装置１０９に保存されたデータを、試料１のパターンを形成する際のフォトリソグラフィの条件にフィードバックすることができる。上記データに基づいて、レジストの露光条件やエッチング条件などを最適化することにより、ばらつきを小さくすることが可能である。

本実施の形態のパターン評価装置は、図３に示す構成要素以外に、試料１を評価するのに必要な他の公知要素が含まれていてもよい。

また、本実施の形態のパターン評価装置に、検査機能を組み入れることもできる。例えば、図３の構成に、展開回路、参照回路および比較回路を組み入れることができる。

図７は、展開回路、参照回路および比較回路を有するパターン評価装置の構成図である。尚、図７において、図３と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。

図７のパターン評価装置２００では、ダイ−トゥ−データベース（ｄｉｅ ｔｏ ｄａｔａｂａｓｅ）方式による検査が可能である。この方式は、設計パターンデータをベースに参照画像を生成して、パターンを撮像して得られた光学画像と比較する手法である。

図７において、磁気ディスク装置１０９には、データベース方式の基準データとなる設計パターンデータが格納されており、検査の進行に合わせて読み出されて展開回路１３１に送られる。展開回路１３１では、設計パターンデータがイメージデータ（設計画素データ）に変換される。その後、このイメージデータは、参照回路１３２に送られて参照画像の生成に用いられる。生成された参照画像は、比較回路１３３へ送られる。一方、センサ回路１０６からの光学画像も比較回路１３３へ送られる。比較回路１３３では、センサ回路１０６から送られた光学画像と、参照回路１３２で生成した参照画像とが、適切な比較判定アルゴリズムを用いて比較され、誤差が所定の値を超えた場合にその箇所は欠陥と判定される。欠陥の座標と、欠陥判定の根拠となった光学画像および参照画像とは、磁気ディスク装置１０９に保存される。

欠陥判定は、次の２種類の方法により行うことができる。１つは、参照画像における輪郭線の位置と、光学画像における輪郭線の位置との間に、所定の閾値寸法を超える差が認められる場合に欠陥と判定する方法である。他の１つは、参照画像におけるパターンの線幅と、光学画像におけるパターンの線幅との比率が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する方法である。この方法では、参照画像におけるパターン間の距離と、光学画像におけるパターン間の距離との比率を対象としてもよい。

尚、ダイ−トゥ−データベース方式において、検査対象の光学画像と比較される基準画像は、上述した様に、設計パターンデータをベースに作成された参照画像である。一方、本実施の形態のパターン評価装置を、ダイ−トゥ−ダイ方式による検査方法と組み合わせることも可能であり、その場合の基準画像は、検査対象とは異なる光学画像になる。

また、本実施の形態のパターン評価装置は、検査機能に加えてレビュー機能を有することも可能である。ここで、レビューとは、オペレータによって、検出された欠陥が実用上問題となるものであるかどうかを判断する動作である。

例えば、図７の比較回路１３３で欠陥と判定された箇所の座標と、欠陥判定の根拠となった光学画像および参照画像とがレビュー装置（図示せず）に送られる。オペレータは、欠陥判定の根拠となった参照画像と、欠陥が含まれる光学画像とを見比べてレビューする。具体的には、図７に示すパターン評価装置２００の観察光学系（光源５、レンズ６，８，１０４、ミラー７、フォトダイオードアレイ１０５、センサ回路１０６）を使って、試料１の欠陥箇所の画像を表示する。また同時に欠陥判定の判断条件や、判定根拠になった光学画像と参照画像などは、図７に示す制御計算機１１０の画面を利用して表示される。レビューによって判別された欠陥情報は、図３の磁気ディスク装置１０９に保存される。

尚、レビューによって１つでも修正すべき欠陥が確認されると、試料１は、欠陥情報リストとともに、パターン評価装置２００の外部装置である修正装置（図示せず）に送られる。修正方法は、欠陥のタイプが凸系の欠陥か凹系の欠陥かによって異なるので、欠陥情報リストには、凹凸の区別を含む欠陥の種別と欠陥の座標が添付される。

ところで、上記例では、繰り返しパターンとしてライン・アンド・スペースパターンを挙げたが、本発明はこれに限られるものではない。本発明は、ホールパターンなどの繰り返しパターンにも適用可能である。

例えば、試料上に、観察光学系の解像限界より小さいホール径のホールパターンが形成されている場合、エッジラフネスや欠けによる形状欠陥があると、パターンの規則性に乱れが生じて、形状欠陥がある箇所の階調値が、周囲の階調値とは異なる値を示すようになる。一方、形状欠陥がなく、規則的なパターンが繰り返される場合、光学画像の階調値は均一なものとなる。また、かかる階調値の変化は、パターンのホール径異常や、パターンの位置ずれによる隣接パターンとの空隙異常による形状欠陥にも見られる。

したがって、試料の評価領域を所定の単位領域に分割し、各単位領域における階調値のばらつきを調べることで、エッジラフネスやパターン欠けによる形状欠陥を検出することもできる。尚、所定の単位領域は、例えば、１ｍｍ×１ｍｍの領域とすることができる。

また、各単位領域の平均階調値を比較することで、パターンのホール径異常や、パターンの位置ずれによる隣接パターンとの空隙異常による形状欠陥を検出することもできる。ホールの各径および空隙が均一であると、各単位領域の平均階調値は一様な値となる。一方、例えば、一部のホール径が小さくなっていると、ホール径異常が起きている単位領域の平均階調値と、ホール径が正常である単位領域の平均階調値との間に差異が生じる。また、パターンが位置ずれを起こしてパターン間の距離に変動が生じた場合にも、その単位領域の平均階調値と、他の単位領域の平均階調値との間で差異が生じる。

図３のパターン評価装置１００において、ホールパターンを有する試料１を評価する場合、パターンの光学画像は画像処理回路１０８へ送られる。画像処理回路１０８では、光学画像における画素データが画素毎の階調値で表される。具体的には、２５６段階の階調値を有するグレースケールより、０階調から２５５階調のいずれかの値が、各画素に与えられる。また、試料１の評価領域は、所定の単位領域に分割され、各単位領域における平均階調値が求められる。

画像処理回路１０８で得られた階調値と、各単位領域における平均階調値とは、マップ作成回路１１２へ送られる。マップ作成回路１１２では、平均階調値がパターンのホール径の平均値に関連付けられる。また、各単位領域における階調値のばらつきがパターンエッジの凹凸に関連付けられる。例えば、所定のパターンについて、寸法ＳＥＭで測定したホール径の値と、その光学像の階調値とを求めることにより、ホール径と階調値の関係式を立てる。そして、この関係式をマップ作成回路１１２に記憶させる。ユーザは、関係式を用いて、画像処理回路１０８で得られた平均階調値をホール径の平均値に換算することができる。また、この関係式から、階調値のばらつき、すなわち、階調値の標準偏差をパターンエッジの凹凸（ラフネス）に換算することもできる。次いで、マップ作成回路１１２は、ホール径の平均値の分布と、パターンエッジの凹凸（ラフネス）の分布の少なくとも一方を表わすマップを作成する。作成されたマップは、例えば、磁気ディスク装置１０９に保存される。

以上のようにして、マップ作成回路１１２で作成されたマップから、試料１におけるホールパターンの均一性の程度を把握することができる。そして、ホール径やパターンエッジの凹凸（ラフネス）にばらつきが大きいことが分かれば、試料１のパターンを形成する際のフォトリソグラフィの条件にフィードバックすることができる。具体的には、ばらつきが小さくなるように、レジストの露光条件やエッチング条件などを最適化することができる。

以上述べたように、本実施の形態のパターン評価方法およびパターン評価装置では、試料の光学画像を取得するための観察光学系において、光源から出射される光に、ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を用いることができる。したがって、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：電子ビーム）を光源に用いた場合と比較して、スループットの低下を引き起こさずに評価することができる。

ＤＵＶ光を用いた場合において、試料に形成されたパターンの寸法が、観察光学系の解像限界より小さくても、本実施の形態のパターン評価方法およびパターン評価装置によれば、形状欠陥を検出することが可能である。すなわち、評価する領域を所定の単位領域に分割し、各単位領域の平均階調値を比較することで、観察光学系の解像限界より小さい寸法のパターンにおける線幅や空隙異常を検出することができる。また、各単位領域における階調値のばらつきを調べることで、パターンエッジの凹凸やパターン欠けも検出することができる。

また、本実施の形態によれば、形状欠陥と階調値との関係を予め把握しておき、光学画像から得られた階調値を具体的な寸法に換算して、寸法マップを作成することにより、試料上のパターンの均一性の程度を把握することができる。かかるマップを基に、パターンのばらつきの程度が所定値以上である場合に、パターンを形成する際のフォトリソグラフィの条件にフィードバックするようにすれば、ばらつきが小さくなるようにすることが可能である。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

また、上記実施の形態では、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要としない部分についての記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができることは言うまでもない。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全てのパターン評価方法およびパターン評価装置は、本発明の範囲に包含される。

１ 試料
３ ＸＹテーブル
５ 光源
６，８，１０４ レンズ
７，１０，１１ ミラー
２０１，２０２，２０３，２０４ フレーム
１００，２００ パターン評価装置
１０５ フォトダイオードアレイ
１０６ センサ回路
１０７ 位置回路
１０８ 画像処理回路
１０９ 磁気ディスク装置
１１０ 制御計算機
１１２ マップ作成回路
１１３ オートローダ制御回路
１１４ テーブル制御回路
１１５ 磁気テープ装置
１１６ フレキシブルディスク装置
１１７ ＣＲＴ
１１８ パターンモニタ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２２ レーザ測長システム
１３０ オートローダ
１３１ 展開回路
１３２ 参照回路
１３３ 比較回路

Claims (9)

1. 光学系を構成する光源からの光を照射して、前記光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンを有する試料について、前記繰り返しパターン自体の像を直接撮像した光学画像を取得する工程と、
   前記光学画像の前記繰り返しパターン自体の像の各画素に階調値を付与し、前記繰り返しパターン自体の像を分割した所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める工程と、
   所定のパターンについて線幅と前記所定のパターン自体の光学像に対応する階調値の関係式を用いて前記平均階調値を前記繰り返しパターンの前記単位領域における平均的な線幅情報に換算する処理、および、前記階調値のばらつきを表す標準偏差をもとに当該階調値の標準偏差に比例する前記繰り返しパターンのエッジの凹凸（ラフネス）の標準偏差を算出する処理の少なくとも一方を行い、得られた換算値を用いることにより、前記試料の面内での前記平均的な線幅情報の分布を表すマップを、および、得られた算出値を用いることにより、前記試料の面内での前記ラフネスの分布を表すマップを、の少なくとも一方を作成する工程と、
   を有することを特徴とするパターン評価方法。
2. 前記光の波長は、前記繰り返しパターンのピッチの２倍以上長い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. 前記光は、遠紫外光であることを特徴とする請求項１または２に記載のパターン評価方法。
4. 前記繰り返しパターンは、ライン・アンド・スペースパターンであって、前記ラインの設計幅は４０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパターン評価方法。
5. 画像センサによって評価対象となる試料に形成されたパターン自体の像を直接撮像した光学画像を取得する光学画像取得部と、
   前記光学画像の前記パターン自体の像の各画素に階調値を付与し、前記パターン自体の像を分割した所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める光学画像処理部と、
   所定のパターンについて線幅と階調値の関係式を用いて前記平均階調値を前記パターンの前記単位領域における平均的な線幅情報に換算する処理、および、前記階調値のばらつきを表す標準偏差をもとに当該階調値の標準偏差に比例する前記パターンのエッジの凹凸（ラフネス）の標準偏差を算出する処理の少なくとも一方を行い、得られた換算値を用いることにより、前記試料の面内での前記平均的な線幅情報の分布を表すマップを、および、得られた算出値を用いることにより、前記試料の面内での前記ラフネスの分布を表すマップを、の少なくとも一方を作成するマップ作成部と、
   を有し、
   前記光学画像取得部は、前記パターンに光を照射する光源と、前記パターンを透過または反射した、前記パターンの像を表す前記光源からの光を前記画像センサに直接結像するレンズとを備えており、
   前記光源からの光の波長と前記レンズの開口数によって定まる解像限界は、前記パターンを解像しない値であることを特徴とするパターン評価装置。
6. 前記光源からの光は、前記パターンのピッチの２倍以上長い波長であることを特徴とする請求項５に記載のパターン評価装置。
7. 前記光源からの光は、遠紫外光であることを特徴とする請求項５または６に記載のパターン評価装置。
8. 前記光学画像を基準画像と比較して、これらの差分値が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する比較部を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のパターン評価装置。
9. 前記基準画像は、前記パターンの設計データから作成された参照画像であり、
   前記参照画像を作成する参照画像作成部を有していて、
   前記参照画像作成部で作成された参照画像が前記比較部に送られることを特徴とする請求項８に記載のパターン評価装置。

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