JP5683236B2

JP5683236B2 - 形状測定装置

Info

Publication number: JP5683236B2
Application number: JP2010265143A
Authority: JP
Inventors: 哲男原田; 博雄木下; 健夫渡邊
Original assignee: Hyogo Prefectural Government
Current assignee: Hyogo Prefectural Government
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: JP2012117830A

Description

本発明は、微細加工処理が施された基板上のパタン形状ならびに欠陥を測定する形状測定装置に関する。

従来の半導体マスクのパタン形状測定には、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭという。）が用いられる。ＳＥＭは、高加速電子をパタンに照射し、生成する二次電子強度により像を得る。このため、二次電子強度分布は、パタンの表面状態にのみに依存する。

一方、極端紫外光（以下，ＥＵＶという）マスクは、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜の上に吸収体のパタンが配置されている。ＥＵＶ露光機では、ＳＥＭで観察される表面の吸収体構造以外にも多層膜内部の構造欠陥や基板形状に起因する位相欠陥も転写されうる。

そこで、実露光波長であるＥＵＶでの転写特性を検査する検査装置として、反射多層膜鏡を用いたＳｃｈｗａｒｚｓｃｈｉｌｄ型（非特許文献１）や、回折光学素子であるフレネルゾーンプレートを用いた顕微鏡（非特許文献２）が開発されてきた。

しかしながら、Ｓｃｈｗａｒｚｓｃｈｉｌｄ型の顕微鏡では、結像鏡に要求される形状精度が０．１ｎｍオーダーであり、非常に高精度な鏡が必要となり調整も難しい。また、フレネルゾーンプレートの顕微鏡は、製作が難しく、原理的に高分解能と視野の広さとが両立せず、調整も難しい。

そこで、本願の発明者らは、新たな実露光波長であるＥＵＶでの転写特性検査装置として、非特許文献３に記載されたレンズレス方式のマスク観察顕微鏡を開発してきた。このレンズレス顕微鏡では、コヒーレント光をマスク上のパタンに照射し、ＣＣＤカメラで記録した回折強度画像を反復計算することで位相情報を回復し、パタン像を再生する。レンズレス方式のマスク観察顕微では、例えば、非特許文献４に記載されたＨＩＯアルゴリズムを利用して、１枚の回折強度画像に対して反復計算処理することで像再生していた。

Kazuhiro Hamamoto, Yuzuru Tanaka, Hirotake Kawashima, Seun Yoon Lee, Nobuyuki Hosokawa, Noriyuki Sakaya, Morio Hosoya, Tsutomu Shoki, Takeo Watanabe, and Hiroo Kinoshita, "Actinic Mask Inspection Using an EUV Microscope-Preparation of a Mirau Interferometer for Phase-Defect Detection-,"Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) pp.5474-5478. Kenneth A.Golgberg, Patrick P.Naulleau, Anton Barty, Senajith B.Rekawa, Charles D.Kemp, Robert F.Gunion, Farhad Salmassi, Eric M.Gullikson, Erik H. Anderson, Hak Seung Han, "Performance of actinic EUVL mask imaging using a zoneplate microscope," Proc. of SPIE 6730 (2007). Tetsuo Harada, Junki Kishimoto, Takeo Watanabe, Hiroo Kinoshita, Dong Gun Lee, "Mask observation results using a coherent extreme ultraviolet scattering microscope at NewSUBARU," J. Vac. Sci. Technol. B 27 (2009) pp.3203-3207. J.R.Fienup, "Phase retrieval algorithms a comparison," Appl. Opt. 21 (1982) pp.2758-2769.

上述した非特許文献４に係るＨＩＯアルゴリズムでは、パタン上のある１領域に対して照明光を照射し、記録した回折強度画像に対して反復計算処理を施し、失われた位相情報を回復し像再生している。この記録画像は、照明された領域のフーリエ変換強度情報である。

一般に、コヒーレントＸ線イメージング法でＨＩＯアルゴリズムを利用する場合、照明領域サイズに対して十分小さなサンプルを透過配置で設置し、その微小サンプルのフーリエ変換強度情報を記録する。よって、微小サンプルは、強度的に一定かつ位相の揃ったＸ線によって照明されており、検出器で記録される回折強度画像は、測定サンプル情報のみを含むとみなせる。

一方、レンズレス方式のマスク観察顕微鏡によるＥＵＶマスク検査では、φ１０μｍ程度の照明領域に対してサンプルは１５０ｍｍ角と大きなＥＵＶマスク基板である。測定は、コヒーレントな照明光をマスク基板で反射させて回折強度を記録する。そのため、記録される反射回折強度は照明光情報と、測定パタン情報の掛け合わせとなる。

しかし、レンズレス方式のマスク観察顕微で使用する照明形状は、フランホーファー回折形状など周辺領域がなだらかで裾引きが長い照明である。そのため周辺領域の強度が弱く、周辺領域での再生誤差が大きくなるため、上述したようなＨＩＯアルゴリズムでの像再生が難しい。

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、高い精度で、微細加工処理が施された基板上のパタン形状ならびに欠陥を測定することが可能な形状測定装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための手段として、本発明は、反射型サンプル基板上の被検パタン領域に対し、空間領域及び／又は時間領域でのコヒーレントな光を、照射位置をシフトさせながら複数回照射する照射手段と、上記照射手段により照射された上記被検パタン領域からの回折光を受光する受光手段と、上記受光手段による受光結果である画像情報を記録する記録手段と、形状が既知で所定幅のパタンを上記所定幅の半分のステップで格子状等間隔に点在する領域毎に測定し、上記パタンに対応する照明形状を、上記記録手段に記録された上記画像情報から、実験的に導出する導出手段と、上記記録手段に記録された上記画像情報から、上記導出手段により導出された上記照明形状を用いて、パタン形状ならびに欠陥を抽出する演算手段と、を備え、上記演算手段は、上記記録手段に記録された二次元の複数枚の回折強度情報に対してフーリエ変換と逆フーリエ変換による周波数変換を繰り返す処理により回折光の位相を回復して像再生するとともに、上記抽出されたパタン形状ならびに欠陥に現れる周期パタン成分をフィルタリングして出力する。

本発明は、既知のパタンを測定することにより、像再生において非常に重要な情報である照明形状を実験的に導出するので、高い精度で、微細加工処理が施された基板上のパタン形状ならび欠陥を測定することができる。

本発明が適用された形状測定装置の構成を示す図である。照明形状導出に用いたエルボーパタンと、５μｍステップで４×４の１６点の領域の照明光照射位置とを示す図である。本発明が適用された形状測定装置で観測した十字パタンと、測定位置とを示す図である。十字パタンの再生像を示す図である。Ｌ／Ｓパタン中のプログラム線幅欠陥の再生像を示す図である。周期パタン成分をフィルタリングし、線欠陥のみを取り出した再生像を示す図である。

本発明が適用された形状測定装置は、微細加工処理が施された基板上のパタン形状ならびに欠陥を測定する形状測定装置である。以下では、図１に示すような形状測定装置を用いて、本発明を実施するための形態について説明する。

形状測定装置１は、レンズレス方式のマスク観察顕微鏡であって、図１に示すように、微細加工処理が施された基板上のパタン形状ならびに欠陥を測定するため、次のような構成を備えている。

すなわち、形状測定装置１は、空間領域でのコヒーレントな極端紫外光を被検基板２に照射する照射部１０と、基板２を固定するステージ１４と、ステージ１４に固定された基板２の表面による回折光を受光して電気信号に変換する撮像素子１５と、撮像素子１５により電気信号に変換された受光結果である画像情報から基板２の形状を測定する測定処理部１６と、測定処理部１６による測定結果をユーザに視認可能に表示する表示部１７とを備える。

被検基板２は、上述した形状測定装置１による測定対象であって、例えば、波長が６［ｎｍ］乃至１５［ｎｍ］程度の極端紫外光によって、所定の繰り返しパタンとなるようにマスク処理が施された半導体基板である。

照射部１０は、極端紫外光を発光する光源１１と、光源１１から発光された極端紫外光をコヒーレントな光にするための光学部１２とからなる。

光源１１は、波長が６［ｎｍ］乃至１５［ｎｍ］程度の極端紫外光を発光する光源である。具体的には、シンクロトロン放射光や高次高調波光源、レーザプラズマ光源、放電型のピンチプラズマ光源などであるが、極端紫外光を発光するものであれば、いかなる光源を用いるようにしてもよい。

光学部１２は、光源１１から発光された極端紫外光を空間領域でのコヒーレントな光にするためのピンホール１２ａと、照射領域を調整するためのアパーチャ１２ｂとからなる。

ピンホール１２ａは、光源１１とステージ１４との間に設けられており、光源１１が発光した極端紫外光を空間的に制限して通過させることにより、空間領域でのコヒーレントな極端紫外光にしてステージ１４側に出射する。

アパーチャ１２ｂは、ピンホール１２ａとステージ１４との間に設けられており、ステージ１４上に照射される照射領域と、被検基板２の観察面積（ＦｉｅｌｄＯｆＶｉｅｗ：ＦＯＶ）領域とが一致するように、ピンホール１２ａから照射される空間領域でのコヒーレントな極端紫外光を空間的に制限して被検基板２側に通過させる。

このような構成からなる照射部１０は、被検基板２に対し、空間領域でのコヒーレントな光を、照射位置をシフトさせながら複数回照射する。

なお、照射部１０は、空間領域でのコヒーレントな極端紫外光を照射するものに限定されず、空間領域及び／又は時間領域でのコヒーレントな極端紫外光を照射するものであればよい。

ステージ１４は、アパーチャ１２ｂから通過された極端紫外光が照射される位置に設けられている。ステージ１４に固定された基板２は、そのＦＯＶ領域に、上述した光源１１、ピンホール１２ａ、及びアパーチャ１２ｂからなる照射手段により空間領域でのコヒーレントな極端紫外光が照射される。このようにして、コヒーレントな極端紫外光が照射された被検基板２のＦＯＶ領域は、マスク処理された被検パタンに応じた回折光を放射する。

撮像素子１５は、例えばＸ線用のＣＣＤ検出素子であって、被検基板２上のマスクからの反射される光を受光する。すなわち、撮像素子１５は、この回折光を０次回折光から数次回折光に亘って検出する。ＦＯＶ領域から放出される光が、このＦＯＶ領域のマスクパタンに応じた回折の複素振幅を示すので、撮像素子１５は、ＦＯＶ領域に対応する回折像の強度分布が得られ、この受光結果である画像情報を測定処理部１６に供給する。

測定処理部１６は、撮像素子１５による受光結果である画像情報を記録する記録部１６ａを有し、記録部１６ａに記録された受光結果である画像情報から、反復計算により演算に最適な照明形状を導出する。そして、測定処理部１６は、記録部１６ａに記録された画像情報のうち、上記導出された照明形状に対応するパタン領域から、実波長でのパタン形状ならび欠陥を抽出する。そして、測定処理部１６は、測定結果を表示部１７に出力する。

ここで、記録部１６ａは、撮像素子１５による受光結果である画像情報として、マスクからの回折光の強度を示す回折光強度情報を記録し、測定処理部１６は、記録部１６ａに記録された回折光強度情報に計算処理することで、微細加工処理が施された被検基板２上のパタン形状ならび欠陥を抽出する。

測定処理部１６は、記録部１６ａに記録された複数枚の回折光強度情報を用いて、微細加工処理が施された被検基板２上のパタン形状を測定する．具体的には、測定処理部１６は、記録部１６ａが記録する二次元の複数枚の回折強度情報に対して周波数変換、例えば、フーリエ変換と逆フーリエ変換とを繰り返し施す処理を施して、回折光の位相を計算により回復し、像再生することで被検パタン形状を測定する。

表示部１７は、測定処理部１６による測定結果、すなわち、ＦＯＶ領域の形状や設計用のマスクパタンのパタン形状や欠陥の有無をユーザに視認可能に表示する。

以上のような構成からなる形状測定装置１では、被検パタン領域の検査において、照射部１０により、被検パタン領域に対する照明光の照射を１回だけでなく、位置をシフトさせて複数回照射し、記録部１６ａにより、それぞれの照射位置に対する反射の回折強度画像を記録する。照射部１０は、照明光のシフト距離を、照明サイズより小さく、被検パタン領域が複数回照射されるように移動する。そして、形状測定装置１では、測定処理部１６が、照明光の形状を既知とし、マスク基板上の被検パタン像のみを像再生し、マスク基板上の被検パタン形状並びに欠陥を抽出する。

ここで、形状測定装置１を用いたパタン形状の像再生には、上記のように、照明光の形状が既知である必要がある。この照明光形状を導出するため、形状測定装置１は、形状が既知のパタンを用いて測定する。具体的には、形状測定装置１は、照射部１０により、この既知の形状パタンにも同様に照射位置をシフトさせた被検照明光を複数回照射し、測定処理部１６での上述の計算により、被検照明光形状を導出する。

また、上述したように、形状測定装置１で周期パタン中の微小欠陥など周期成分からのずれを検出する場合において、再生誤差などから生じる周期パタン乱れが生じると微小欠陥の検出が困難となる。周期パタン情報は、周波数領域での記録となる検出器上においてパタン周期に応じた位置で検出される。このため、形状測定装置１では、測定処理部１６が、周期パタン情報をフィルタリングして像再生することで欠陥情報のみを取り出すことが特に好ましい。

上述したように、形状測定装置１は、シフト照明を利用する像再生処理において、具体的には、照明形状を次のように考慮した測定をしている。すなわち、形状測定装置１は、照明強度によって像再生が重みづけられるため、周辺部の強度が弱い照明形状でもパタン像の再生が可能となる。

比較例として、ＨＩＯアルゴリズムなどの反復計算における拘束条件は、視野に対してサンプルが十分小さいことであり、原理的に測定領域を大きくすることができなかった。一方、形状測定装置１は、シフト照明を利用する場合は隣り合う測定点が同一領域の情報を含むという拘束条件であるため、視野を大きくすることができる。

また、形状測定装置１は、照明形状が像再生において非常に重要な情報であるが、測定処理部１６が、既知のパタンを使用し照明形状を実験的に導出することで、精度の高い測定が可能となる。

また、上述したように、周期パタン中の欠陥は再生誤差に起因する周期パタンの乱れなどが生じると検出が難しかった。そこで、形状測定装置１は、測定処理部１６が、周期パタン情報をフィルタリングすることにより、こうしたノイズに影響されずはっきりと検出することが可能となる。

次に、形状測定装置１の具体的な実施例として、測定処理部１６に、放射光施設ニュースバルのＢＬ−３を用いて、ＥＵＶマスクを観察した。

また、形状測定装置１では、光源１１が、波長１３．５ｎｍのＥＵＶを含む白色光であり、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜とＺｒ薄膜を用いて単色化したものを用いた。測定チャンバ位置での光源１１の空間コヒーレンス長は、１８μｍであり、ここからφ５μｍをピンホール１２ａにより取り出し、照明光は十分な空間コヒーレンスを持っているものとする。

観測サンプルは、１５０ｍｍ角のガラス基板上にＭｏ／Ｓｉ多層膜などが成膜されたＥＵＶマスク基板であり、半導体２２ｎｍ世代用の極微細パタンが形成されているものとする。

また、形状測定装置１は、撮像素子１５として、被検パタンからの回折光をＥＵＶ直接検出可能なＣＣＤカメラを用いた。

上記の測定条件の下、形状測定装置１は、はじめに、既知のパタン形状に対応する照明形状を得るため、図２に示すように、幅１０μｍのエルボーパタン２１を５μｍステップで４×４の１６点の領域２２毎に測定した。形状測定装置１では、マスク基板の移動距離を分解能３５ｎｍのレーザーエンコーダーにより精密に制御し、半値幅４μｍ程度の照明形状が得られた。この照明形状を用いた反復計算により、パタン形状を導出する。

上記のようにして照明形状を導出した後、形状測定装置１は、図３のように、幅２μｍ、長さ１０μｍの十字パタン３１を６×６の３６点の領域３１毎に測定した。形状測定装置１では、１ステップでのマスク基板移動距離を２μｍとし、照明形状の半値幅が４μｍであるため、隣接する測定点が半分程度同一の領域を測定している。

ここで、図３の測定処理に対応した像再生結果を図４に示す。このように十字パタンを再現しており、形状測定装置１によりＥＵＶマスク上のパタンを観察できた。

さらに、形状測定装置１では、８８ｎｍのラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パタン中のプログラム線幅欠陥（幅３０ｎｍ）を観察した。これは８８ｎｍの周期的なラインの１本が３０ｎｍだけ細いことを意味する．この観測結果に対応する像再生を図５に示す。この図５から明らかなように、Ｌ／Ｓパタンの中心付近には、明るい線が入っており、プログラム線幅欠陥を含め像再生が成功していることが分かる。しかし、再生誤差により周辺でＬ／Ｓパタンが乱れている箇所もあり、中心の明るいラインのみが欠陥かどうか判断するのは難しい。

そこで、形状測定装置１では、フーリエ変換強度情報であるＣＣＤカメラ画像において、周期パタン成分である０次光と±１次光をフィルタリング（除去）する。このフィルタリング処理を施した像再生を図６に示す。この図６から明らかなように、中心部分の線欠陥のみが像再生されており、再生誤差に伴う周期乱れに影響されず線欠陥のみを取り出すことに成功した。

以上の実施例から明らかなように、本実施形態に係る形状測定装置１では、上記のように、複数回照明するため、レンズレス方式のマスク観察顕微で使用する周辺部の強度が弱い照明形状でもパタン像の再生が可能となるので、高い精度で、微細加工処理が施された基板上のパタン形状ならび欠陥を測定することができる。

なお、本発明は、以上の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。

１形状測定装置、２基板、１０照射部、１１光源、１２光学部、１２ａピンホール、１２ｂアパーチャ、１４ステージ、１５撮像素子、１６測定処理部、１６ａ記録部、１７表示部

Claims

反射型サンプル基板上の被検パタン領域に対し、空間領域及び／又は時間領域でのコヒーレントな光を、照射位置をシフトさせながら複数回照射する照射手段と、
上記照射手段により照射された上記被検パタン領域からの回折光を受光する受光手段と、
上記受光手段による受光結果である画像情報を記録する記録手段と、
形状が既知で所定幅のパタンを上記所定幅の半分のステップで格子状等間隔に点在する領域毎に測定し、上記パタンに対応する照明形状を、上記記録手段に記録された上記画像情報から、実験的に導出する導出手段と、
上記記録手段に記録された上記画像情報から、上記導出手段により導出された上記照明形状を用いて、パタン形状ならびに欠陥を抽出する演算手段と、を備え、
上記演算手段は、上記記録手段に記録された二次元の複数枚の回折強度情報に対してフーリエ変換と逆フーリエ変換による周波数変換を繰り返す処理により回折光の位相を回復して像再生するとともに、上記抽出されたパタン形状ならびに欠陥に現れる周期パタン成分をフィルタリングして出力する形状測定装置。