JP4835481B2 - レジストパターン測定方法及びレジストパターン測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、短寸法測定用の走査型電子顕微鏡におけるレジストパターンを測定するレジストパターン測定方法及びレジストパターン測定装置に関する。

近年の半導体ＬＳＩの微細化により、ウェハ上のＬＳＩパターンやＬＳＩパターンの原版となるフォトマスクのパターンを計測する手段として、主に走査型電子顕微鏡（以下、ＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension − Scanning Electron Microscope）という）が利用されている。ＣＤ−ＳＥＭは電子銃から照射された電子ビームが、コンデンサレンズによって収束され、アパーチャーを通って、ウェハやフォトマスクのパターン上に当たった際に放出される二次電子をディテクターで捉えることで電気信号に変換し、二次元画像を取得する。この二次元画像の情報を元にパターンの寸法などを高精度に測定するものである。

年々、パターン寸法が小さくなるに従い、ＣＤ−ＳＥＭに要求される測定精度も厳しくなってきている。例えば、ＩＴＲＳのテクノロジーロードマップでは、測定装置に要求される精度として、２００７年以降では０．５ｎｍ以下（3σ）の測定再現精度が必要とされている。また、フォトマスクパターンの高精度化が進むにつれて、パターンが設計通りにできているかを確認するための検査測定ポイントも増加する傾向にあり、レシピを組んで多数の測定ポイントを自動測定する作業が日常的に行われている。

ＣＤ−ＳＥＭで自動測定を行う際、取得したＳＥＭ画像の中の測定対象パターンが残しパターン（Ｌｉｎｅパターン）なのか抜きパターン（Ｓｐａｃｅパターン）なのかを区別する必要がある。これは、ＳＥＭ画像中のパターンにはエッジに白帯部分があり、ＳｐａｃｅパターンとＬｉｎｅパターンとで測定方法が異なるためである。図８にＳＥＭ画像の例と測定方法を示す。Ｓｐａｃｅパターンの場合は白帯の内側を、Ｌｉｎｅパターンの場合は外側を測定する。

通常は測定レシピの中でユーザーがＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅの指定を行うが、ＬｉｎｅとＳｐａｃｅが交互に並んでいるような場合はステージ精度のバラツキにより測定対象のパターンがＳＥＭ画像の中央からずれてしまうことが多々あるため、取得した画像からどのパターンがＬｉｎｅ又はＳｐａｃｅにあたるのかを判断する必要がある。

完成後のフォトマスクの測定においては、パターンエッジの白帯部分についての強度分布信号を２回微分し、信号のエッジ強度の大きさを比較することで測定パターンがＬｉｎｅかＳｐａｃｅかを区別する方法が提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。
特開２００３−１００８２８号公報 ＳＰＩＥ ６３４９−１５２ 「A new algorithm for SEM critical dimension measurements for differentiation between lines and spaces in dense line／space patterns without tone dependence」

しかしながら、前述の方法は完成後のフォトマスクに対して適用できる方法であり、レジストパターン測定に対しては適用することができない。最近ではパターンに要求される精度が厳しくなっていることもあり、ウェハ上に露光転写されたレジストパターンだけでなく、フォトマスク製造時においても製造工程の途中でレジストパターンを測定するニーズが多くなっている。

ＣＤ−ＳＥＭによるレジストパターンの測定には特有の課題がある。一つ目の課題は、電子ビームを照射することにより、レジスト自体がシュリンクしてしまい正しく測定できないということである。二つ目の課題は、チャージの影響で、レジストパターンの濃淡コントラストが変化してしまうことにより、測定しようとしているパターンが残し部分（Ｌｉｎｅパターン）なのか抜き部分（Ｓｐａｃｅパターン）なのか区別できなくなってしまうということである。特に２つめの課題は、フォトマスク製造工程において描画・現像後のレジストパターン観察時に起こりやすく、レジストパターンと周りのクロムなどの金属膜とのコントラストがなくなってしまう現象や、コントラストがあっても寸法によって明暗が逆転してしまう現象がある。この現象によりＬｉｎｅとＳｐａｃｅの区別がつかず、両者を間違えて逆に測定する誤測定の原因になっている。図９（ａ）にレジストパターンのＳＥＭ画像例を示す。同図（ｂ）に示すグラフはＳＥＭ画像中の矩形領域の濃度分布を表している。レジストパターン部分と周りの部分の濃度差がなく、これだけではＬｉｎｅかＳｐａｃｅかの区別かつかないことが分かる。

本発明は上記の問題点を鑑みてなされたもので、ＣＤ−ＳＥＭによるレジストパターンの測定において、画像中の測定対象パターンが残し部（Ｌｉｎｅパターン）と抜き部（Ｓｐａｃｅパターン）を自動的に判定して正しく測定すると共に、レジストのシュリンク量を補正した真のレジストパターン寸法を測定することを可能にするレジストパターン測定方法及びレジストパターン測定装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、ウェハ又はフォトマスクのレジストパターンを測定するレジストパターン測定方法において、前記ウェハ又はフォトマスクのレジストパターンから少なくとも２枚のレジストパターン画像を取得する画像入力工程と、前記各レジストパターン画像からパターンエッジの内側寸法と外側寸法を測定するレジスト測定工程と、前記内側寸法と前記外側寸法の各測定値を比較して、前記レジストパターン画像が残し部か抜き部かを判定するパターン判定工程と、前記パターン判定したレジストパターンの前記内側寸法と前記外側寸法の各測定結果を出力する測定結果出力工程と、を少なくとも有するものである。

本発明に係るレジストパターン測定方法は、レジストパターンの測定において、測定パターンが残し部（Ｌｉｎｅパターン）か抜き部（Ｓｐａｃｅパターン）かの区別を自動的に判断することが可能になる。

本発明の請求項２に係る発明は、前記測定結果出力工程において、前記各レジストパターン画像の前記内側寸法と前記外側寸法の各測定値から測定によるレジストのシュリンク量を求め、このシュリンク量に基づいて測定前のレジストパターンの真値を算出する真値算出工程を有するものである。

本発明に係るレジストパターン測定方法は、レジストのシュリンク分（縮小分）を補正したパターン寸法の真値を測定することが可能になる。

本発明の請求項３に係る発明は、ウェハ又はフォトマスクのレジストパターンを測定するレジストパターン測定装置において、前記ウェハ又はフォトマスクのレジストパターンから少なくとも２枚のレジストパターン画像を取得する画像入力手段と、前記各レジストパターン画像からパターンエッジの内側寸法と外側寸法を測定するレジスト測定手段と、前記内側寸法と前記外側寸法の各測定値を比較して、前記レジストパターン画像が残し部か抜き部かを判定するパターン判定手段と、前記パターン判定したレジストパターンの前記内側寸法と前記外側寸法の各測定結果を出力する測定結果出力手段と、を少なくとも有するものである。

本発明に係るレジストパターン測定装置は、レジストパターンの測定において、測定パターンが残し部（Ｌｉｎｅパターン）か抜き部（Ｓｐａｃｅパターン）かの区別を自動的に判断することが可能になる。

本発明の請求項４に係る発明は、前記測定結果出力手段は、前記各レジストパターン画像の前記内側寸法と前記外側寸法の各測定値から測定によるレジストのシュリンク量を求め、このシュリンク量に基づいて測定前のレジストパターンの真値を算出する真値算出手段を有するものである。

本発明に係るレジストパターン測定装置は、レジストのシュリンク分（縮小分）を補正したパターン寸法の真値を測定することが可能になる。

本発明によれば、レジストパターンの測定において、測定パターンのＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅの区別を自動的に判断できるようになり、レジストのシュリンク分（縮小分）を補正したパターン寸法の真値を測定することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るレジストパターン測定装置１０の構成を示すブロック図である。この図において、１は測定したいレジストパターンの観察画像を入力する画像入力部である。２は入力したレジストパターン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。このとき処理された画像は３の画像表示部（モニタなど）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の測定処理部では保存されたレジストパターン画像に対して、パターンの寸法測定が実施され、得られた測定結果が６の数値データ保存部に保存される。７のデータ解析部では測定結果を利用してレジストパターンが抜き部（以下、Ｓｐａｃｅパターンという）と残し部（以下、Ｌｉｎｅパターンという）のどちらであるかの判定や、レジストパターン寸法の真値を計算する処理が行われる。最後に、この結果がファイルやプリンタ、モニタ等から構成される結果表示部８に出力される。

ここで図２を参照して、上述したレジストパターン測定装置１０の動作を順に説明する。まず、ウェハ上のＬＳＩパターンやＬＳＩパターンの原版となるフォトマスクからレジストパターン測定用に１枚目のレジストパターン画像を取得する(ステップＳ１)。次に、１枚目のレジストパターン画像に対して、測定処理を実施する(ステップＳ２)。測定処理は、図３（ａ）に示すように、パターンエッジの白帯部分を境界として、内側寸法１と外側寸法１を測定することにより行う。続いて、同一箇所のレジストパターンに対して２枚目のレジストパターン画像を取得し(ステップＳ３)、測定処理を実施する(ステップＳ４)。測定処理は、ステップＳ２と同様に、図３（ｂ）に示すように、パターンエッジの白帯部分を境界として、内側寸法２と外側寸法２を測定することにより行う。

次に、上記ステップＳ２及びステップＳ４の各寸法値を利用して、レジストパターン画像のＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅの判定を実施する(ステップＳ５)。レジストパターン画像のＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅの判定は、ＣＤ−ＳＥＭによる電子ビームの照射によりレジストがシュリンクすることを利用して、内側寸法（又は外側寸法）の１回目と２回目の値を比較することにより行う。つまり、内側寸法２から内側寸法１を減算した結果が正負のどちらになるかで、その測定対象パターンがＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅのどちらであるかを判定する。例えば、内側寸法２から内側寸法１を引いた結果がマイナスの場合は、測定対象パターンはＬｉｎｅパターンと判定される。この場合は、外側寸法がＬｉｎｅパターンのレジスト寸法となる。一方、内側寸法２から内側寸法１を引いた結果がプラスの場合は、測定対象パターンはＳｐａｃｅパターンと判定される。この場合は、内側寸法がＳｐａｃｅパターンのレジスト寸法となる。

測定対象パターンのＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅ判定を実施した後、レジストパターン寸法の真値の算出処理を実施する(ステップＳ６)。図４にレジストパターン（Ｌｉｎｅパターン）を１０回測定したときの、パターンがシュリンク（縮小）しているグラフを示す。このグラフから、測定回数に応じてほぼ直線的にパターン寸法が変化していることが分かる。レジストパターン寸法の真値は、このようなシュリンクが起こる前であることから、１回目の測定結果からシュリンク分を引いてやれば良いことになる。従って、レジストパターン寸法の真値の算出は、図５に示すように２回の測定結果の差分からレジストパターンのシュリンク量を算出し、１回目の測定値をそのシュリンク量で補正してやれば良い。つまり、ｗｉｄｔｈ２−ｗｉｄｔｈ１によりシュリンク量であるΔｗｉｄｔｈを算出し、ｗｉｄｔｈ１−Δｗｉｄｔｈによりレジストパターン寸法の真値が求められる。

以上のように、本実施形態のレジストパターン測定装置によれば、測定パターンのＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅの区別を自動的に判断できるようになり、レジストのシュリンク分（縮小分）を補正したパターン寸法の真値を測定することが可能になる。

［実施例１］
ここで、本発明のレジストパターン測定方法についてその実施例１を示す。図６は、あるレジストパターンのＳＥＭ画像である。このレジストパターンは、Ｌｉｎｅ／Ｓｐａｃｅのどちらかであるか分からない。そこでまず、１枚目のレジストパターン画像を取得し、内側寸法１と外側寸法１を測定する。そして、次に２枚目のレジストパターン画像を取得して内側寸法２と外側寸法２を測定する。その測定結果は、以下のようになった。

１枚目 内側寸法１＝３５５．７ｎｍ，外側寸法１＝４０８．６ｎｍ
２枚目 内側寸法２＝３５５．２ｎｍ，外側寸法２＝４０７．４ｎｍ

１枚目と２枚目の測定結果を比較すると、２枚目の方が小さくなっていることがわかる。従って、図６のレジストパターンはＬｉｎｅパターンと判定される。Ｌｉｎｅパターンの測定は外側寸法が適用されるため、外側寸法１，２から次の手順により真値が算出される。

Δｗｉｄｔｈ＝外側寸法２−外側寸法１
＝４０７．４ｎｍ−４０８．６ｎｍ＝−１．２ｎｍ
真値＝外側寸法１−Δｗｉｄｔｈ
＝４０８．６ｎｍ−（−１．２ｎｍ）＝４０９．８ｎｍ

［実施例２］
次に、実施例２として、ＬｉｎｅパターンとＳｐａｃｅパターンが交互に並んでいるＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅパターン（図７参照）での測定例を示す。この場合もレジストパターン画像を取得した時点では、どちらがＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅパターンかは分からない。まず１枚目のレジストパターン画像を取得し、内側寸法Ａ１と外側寸法Ａ１及び内側寸法Ｂ１と外側寸法Ｂ１を測定する。次に、２枚目のレジストパターン画像を取得して、内側寸法Ａ２と外側寸法Ａ２及び内側寸法Ｂ２と外側寸法Ｂ２を測定する。その結果は以下のようになった。

１枚目 内側Ａ１＝９５１．５ｎｍ，外側Ａ１＝９９８．６ｎｍ，
内側Ｂ１＝１００２．９ｎｍ，外側Ｂ１＝１０５０．９ｎｍ
２枚目 内側Ａ２＝９５０．９ｎｍ，外側Ａ２＝９９７．０ｎｍ
内側Ｂ２＝１００４．１ｎｍ，外側Ｂ２＝１０５１．８ｎｍ

１枚目と２枚目の測定結果を比較すると、パターンＡは２枚目の方が小さくなっており、パターンＢは２枚目の方が大きくなっていることが分かる。従って、図７のレジストパターンはパターンＡがＬｉｎｅであり、パターンＢがＳｐａｃｅであると判定される。Ｌｉｎｅパターンの測定は外側寸法が適用されるため、外側寸法Ａ１，Ａ２から次の手順により真値が算出される。

Δｗｉｄｔｈ＝外側寸法Ａ２−外側寸法Ａ１
＝９９７．０ｎｍ−９９８．６ｎｍ＝−１．６ｎｍ
真値＝外側寸法Ａ１−Δｗｉｄｔｈ
＝９９８．６ｎｍ−（−１．６ｎｍ）＝１０００．２ｎｍ

一方、Ｓｐａｃｅパターンの測定は内側寸法が適用されるため、内側寸法Ｂ１，Ｂ２から次の手順により真値が算出される。

Δｗｉｄｔｈ＝内側寸法Ｂ２−内側寸法Ｂ１
＝１００４．１ｎｍ−１００２．９ｎｍ＝１．２ｎｍ
真値＝内側寸法Ｂ１−Δｗｉｄｔｈ
＝１００２．９ｎｍ−（１．２ｎｍ）＝１００１．７ｎｍ

本発明は、ＣＤ−ＳＥＭによるレジストパターンの測定に適用できる。

本発明の実施の形態に係るレジストパターン測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るレジストパターン測定装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る（ａ）は１枚目のレジストパターン画像の濃度分布測定例、（ｂ）は２枚目のレジストパターン画像の濃度分布測定例を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るレジストパターンのシュリンクを示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るレジストパターンの真値を算出する模式図である。 本発明の実施例１に係るレジストパターンの測定例を示す図である。 本発明の実施例２に係るレジストパターンの測定例を示す図である。 従来のＳＥＭ画像例とレジストパターンの測定方法を説明する図である。 従来の（ａ）はレジストパターンのＳＥＭ画像例、（ｂ）はレジストパターン画像の濃度分布測定例を示すグラフである。

符号の説明

１ 画像入力部
２ 画像処理部
３ 画像表示部
４ 画像データ保存部
５ 測定処理部
６ 数値データ保存部
７ データ解析部
８ 結果表示部
１０ レジストパターン測定装置

Claims (4)

1. ウェハ又はフォトマスクのレジストパターンを測定するレジストパターン測定方法において、
   前記ウェハ又はフォトマスクのレジストパターンから少なくとも２枚のレジストパターン画像を取得する画像入力工程と、
   前記各レジストパターン画像からパターンエッジの内側寸法と外側寸法を測定するレジスト測定工程と、
   前記内側寸法と前記外側寸法の各測定値を比較して、前記レジストパターン画像が残し部か抜き部かを判定するパターン判定工程と、
   前記パターン判定したレジストパターンの前記内側寸法と前記外側寸法の各測定結果を出力する測定結果出力工程と、を少なくとも有することを特徴とするレジストパターン測定方法。
2. 前記測定結果出力工程において、前記各レジストパターン画像の前記内側寸法と前記外側寸法の各測定値から測定によるレジストのシュリンク量を求め、このシュリンク量に基づいて測定前のレジストパターンの真値を算出する真値算出工程を有することを特徴とする請求項１記載のレジストパターン測定方法。
3. ウェハ又はフォトマスクのレジストパターンを測定するレジストパターン測定装置において、
   前記ウェハ又はフォトマスクのレジストパターンから少なくとも２枚のレジストパターン画像を取得する画像入力手段と、
   前記各レジストパターン画像からパターンエッジの内側寸法と外側寸法を測定するレジスト測定手段と、
   前記内側寸法と前記外側寸法の各測定値を比較して、前記レジストパターン画像が残し部か抜き部かを判定するパターン判定手段と、
   前記パターン判定したレジストパターンの前記内側寸法と前記外側寸法の各測定結果を出力する測定結果出力手段と、を少なくとも有することを特徴とするレジストパターン測定装置。
4. 前記測定結果出力手段は、前記各レジストパターン画像の前記内側寸法と前記外側寸法の各測定値から測定によるレジストのシュリンク量を求め、このシュリンク量に基づいて測定前のレジストパターンの真値を算出する真値算出手段を有することを特徴とする請求項３記載のレジストパターン測定装置。