JP2005207802A - レジストパターン検査方法及びその検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な方法により複雑な形状のコンタクトホールの開口状況を判別することのできるレジ外ホールパターンの検査方法及び検査装置を実現する。
【解決手段】 走査型電子顕微鏡装置等を用い、被検査対象のレジストに電子線を照射し、レジスト表面から発生する２次電子を用いてレジストホールパターンの形状を検査する際に、出力される２次電子の信号を二次元の複数の網目状画素に分割し、各画素の強度分布を任意の閾値で区分し、同一の区分の画素の集合の形状もしくは面積から、レジストパターンの良否を判別する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、２次電子を用いた半導体のパターンの検査方法及びそのための装置に関し、特に、微細なホールパターン等の開孔状態を判別することを可能にした検査方法、及びそのための検査装置に関するものである。

半導体素子の製造工程においては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、半導体素子製造工程中の半導体素子を観察評価し、特にレジストパターンの場合には、寸法、形状が所定の規格を満たさない場合には、レジストパターンを剥離し再露光を行い、製造歩留まりの向上を図っている。

近年の半導体素子の製造においては、微細化が進み、製造工程も複雑になっているところから、欠陥品が製造工程の最終段階まで確認されずに製造工程を通過することによって生ずる損失は大である。そのために、半導体素子製造過程における欠陥品検査がますます重要になってきている。

従来、２次電子を用いた前記走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた寸法測定装置において、観察パターンの寸法の算出は、２次電子のコントラスト情報を用いることによって行われている。その様子を、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、基板５１上に形成されたレジスト５２に形成されるホールパターン５３の断面形状を示しており、図５（ｂ）は、このホールパターン５３から得られる２次電子のコントラスト波形Ｈを示している。一般には２次電子のコントラストの最大値（Ｍａｘ）と最小値（Ｍｉｎ）の５０％程度の値を閾値（点線Ｉ）として用い、この閾値における線分Ｊの長さを、ホール寸法としてモニターしている。閾値は一般に可変であるため、閾値を小さく設定すればするほどコンタクトホール底部に近い部分がモニターできるが、閾値を小さく設定すると、わずかなコントラストの変動によってモニターされるホール寸法は大きく変動することになり、ホール寸法の測定が不安定になるという問題点を抱えることになる。そこで、安定した測定を行うために、従来はホールパターンの測長には閾値として５０％程度の値が多用されている。

また、コンタクトホール５３は、正方形（設計値）とは限らず、長方形（設計値）になることも少なくない。このような場合には、コンタクトホールの形状を楕円近似し長径と短径をモニターするが、こういった場合においても５０％程度の閾値が用いられている。

しかしながら、上記したように、閾値を５０％とした場合には、測定の安定性は得られるものの、コンタクトホール５３の底部が狭くなっているフッティング現象が発生している場合には、必ずしも、コンタクトホールの開口径を正確に把握することにはならない。

このような、コンタクトホールの開口異常を検出する手段として、閾値を５０％以外の値に設定することが知られている（特許文献１参照）。この特許文献１の技術においては、断面形状の異常を検出するために複数個の閾値を用い、各閾値で求められたエッジ情報に基づき各閾値での寸法を算出し、その値があらかじめ定められている基準に当てはまるか否かを判断して形状異常検出を行っている。しかしながらこの方法によれば、複雑な処理が必要になるという欠点を有している。

特開平８−１４８３６号公報

前述のように、特に微細なホールパターンの測定においては、ホールパターンの底部をモニターする必要がる。例えばレジストパターンにおいては、底部で未開孔あるいはすそ引き形状になっていれば、その後のエッチング処理に及ぼす影響は大きく、最終的には導通不良を引き起こすことになる。特に微細なコンタクトホールでレジストパターンの底部がすそ引き形状になっている場合には、２次電子を用いた寸法測定装置でコンタクトホールを観察すると、図２に示すような画像が得られる。図２において、コンタクトホールの中心部分にある黒色の領域Ａが、レジストの開口部であり、図２のグレーの領域Ｂが、底部裾引き領域もしくは側壁領域である。閾値５０％の測定では、黒色領域である開口部Ａの径を測定することにはならず、従来の方法によれば、真にモニターする必要のあるコンタクトホールの底部である開口部Ａをモニターすることが困難である。

この問題を解決するために、前記閾値を下げると、コンタクトホール底部に近い部分の寸法を測ることができるが、露光装置の解像限界付近で微細コンタクトホールを形成した場合には、安定した形状が得られず、コンタクトホールの開口部もゆがんだ形状になりがちであることから、測定が困難になる。

本発明は、コンタクトホールの形状判定に際しての上記問題点を解決するためになされたもので、簡単な方法により複雑形状のコンタクトホールの開口状況を判断することができる方法を提供することを目的としている。

第１の本発明は、ホールを形成したレジストに電子線を照射し、前記レジスト表面から出力される２次電子の信号強度分布を解析してレジストホールパターンの検査を行う検査方法において、
前記レジストホールパターンの出力信号を二次元の複数網目状画素に分割し、各画素の信号強度を、任意の数の閾値で区分し、区分を同一にする画素の集合体である領域の形状もしくは面積から、前記形成されたレジストホールパターンの良否を判別することを特徴とするレジストホールパターンの検査方法である。

前記第１の本発明において、前記閾値の数が２であり、前記レジストホールパターンの画像を３領域に区分することが好ましい。

前記第１の本発明において、前記区分された領域の内の最も信号強度の低い領域の面積が、所定の範囲以上であるものを良品として判別することができる。

前記第１の本発明において、前記区分された領域の内の中間的な信号強度を有する領域の面積が所定の範囲以下であるものを良品として判別することができる。

第２の本発明は、ホールを形成したレジストの表面に電子線ビームを走査しながら照射する手段と、
前記レジスト表面から出力される２次電子線を検出する検出手段と、
前記検出された２次電子線の強度分布を二次元配列の網目状画素に分割し、前記各画素の強度信号出力を、所定の閾値で区分する手段と、
前記区分された画素について、区分を同一にする画素領域の集合体の形状もしくは面積から前記レジストに形成されたレジストホールの良否を判定することを特徴とするレジストホールパターンの検査装置である。

第３の本発明は、レジストパターンを形成した半導体表面に電子線を照射し、前記レジスト表面から出力される２次電子の信号強度分布を解析してレジストパターンの検査を行う検査方法において、
半導体の設計パターンと、走査型電子顕微鏡装置の観察パターンの画像とを重ね合わせることにより、観察パターンの形成状態を設計からのずれ量でモニターすることを特徴とするレジストパターン検査方法である。

前記第３の本発明において、前記走査型電子顕微鏡装置の観察パターンとしては、ホール系パターンの場合、パターン内で、２次電子線強度の最も低い領域を対象とすることが好ましい。

第４の本発明は、レジストパターンを形成した半導体表面に電子線ビームを走査しながら照射する手段と前記レジスト表面から出力される２次電子線を検出する検出手段と、観察パターンがホール系パターンである場合にはパターン内で２次電子線強度の最も低い領域の観察パターンと、設計パターンとを比較する手段を有することを特徴とするレジストパターンの検査装置である。

前述の本発明によれば、簡単な方法により複雑形状のコンタクトホールの開口状況を自動的に判断することができる。

［第１の実施例］
以下本実施の形態の原理について説明する。
電子線ビームを照射した検査対象物の表面から発生する２次電子を用いた寸法測定装置において、例えばレジストで形成されたコンタクトホールから得られる画像の例を、図２に示す。図２において、１つのコンタクトホールに注目すると、コンタクトホールの上部（領域Ｃ）は白く、コンタクトホールの底部に残っているレジスト（領域Ｂ）はグレーに、コンタクトホールが開口している部分（領域Ａ）は黒く識別されることがわかる。この画像を図４に示すようにメッシュに切って、出力信号の強度で解析する。図４に、コンタクトホール近辺の領域の2次電子線強度のレベルを３段階に分類した様子を示す。その後、黒く分類された部分（領域Ａ）の形状から判断し、もしくは領域Ａの面積を算出することにより、コンタクトホールの底部（開口の様子）をモニターする。グレーに分類された部分（領域Ｂ）を解析することによって、すそ引き、あるいはコンタクトホールの側壁のラフネスをモニターすることができる。これを自動的化することによって、自動的にコンタクトホールのようなレジストのホールの良否を判別することができる。

（検査装置）
以下、本発明において用いることのできる検査装置について、その概略図である図１を用いて説明する。
図１の検査装置は、主として、電子ビーム照射によって被検査物の表面から発生する２次電子を検知し、その画像を形成する走査型電子顕微鏡装置と、この走査型電子顕微鏡装置を操作し或いはその情報を処理する制御装置と、これらの間の信号の交換を行うインターフェース装置からなっている。前記走査型電子顕微鏡装置は、走査型電子顕微鏡装置１０の筐体内に電子ビームを出力する電子銃１１と、電子ビームを走査するための偏向コイル１２を備え、筐体の底部に配置されている載置したステージ１３上の被検査基板１４に電子ビームを照射するようになっている。照射された電子ビームによって被検査基板１４から出力される２次電子を検知器１５で検知し、この検知器１５から出力される２次電子の強度に応じた出力信号が信号処理装置１７に入力され、処理される。前記偏向コイル１２は、偏向コイル制御装置１６によって制御され、電子ビームを被処理基板１４の所望の領域を照射できるようになっている。また、ステージ１３はステージ制御装置１８によって制御され、被処理基板１４の位置決めを行うことができるようになっている。これらの偏向コイル制御装置１６、及びステージ制御装置１８は、パーソナルコンピュータ、ワークステーションや、ミニコンピュータのような情報処理装置１９によって制御される。また、信号処理装置１７からの出力信号も、情報処理装置１９に入力され、以下に詳述するような検査方法に従って検査を行うことができるようになっている。走査型電子顕微鏡装置１０で撮影された画像、情報処理装置１９によって処理された画像、及び情報処理装置１９によって処理された各種情報を表示させるための表示装置２０が、情報処理装置１９に接続されている。

この装置において、走査型電子顕微鏡装置１０の駆動、信号処理装置１７からの出力信号の処理、及び検査結果の評価は、情報処理装置１９に内蔵もしくは接続された図示しない記憶装置に格納されているプログラムによって実行することができる。

（検査方法）
以下、上記検査装置を用いて、レジストに形成されたホールパターンであるコンタクトホールの形状をモニターし、その良否判断を行う検査方法について説明する。

（２次電子線画像の取得）
表面のレジストにコンタクトホールを形成した基板１４を、図１に示す走査型電子顕微鏡装置１０内に配置し、電子銃１１から電子ビームをこの基板１４上に照射する。この電子ビームは、偏向コイル１２、及び基板１４を載置しているステージ１３によって位置決め・走査され、基板１４上を照射する。

電子ビームが照射された前記基板１４の表面からは、２次電子が放射され、この２次電子を検知器１５が検知し、基板１４の電子ビーム照射位置と、検知器１５が検知した２次電子の出力強度から、信号処理装置１７によって、二次元平面にマッピングされ再構成されて、基板１４の表面状態を表す画像（図２）が得られる。このような画像構成手段としては、すでに公知の技術を採用することができる。

（領域区分）
上記手段によって得られた２次電子線の二次元画像を、図４に示すように、任意の大きさのメッシュすなわち網目状画素に分割する。この際に、各画素の大きさは、小さければ小さいほど、高解像度の解析を行うことができ、確度の高い検査を行うことができるが、その処理に要する時間が増加する。

上記過程で表面画像を撮影するホールパターンの断面図、及びその２次電子線の強度分布を示すグラフを、図３に示す。図３（ａ）は、検査対象の基板の断面図であり、この検査対象基板は、ゲートあるいは配線といった下地パターンが形成されたシリコンウェハのような基板３１上に形成されたレジスト３２、及びそのレジストに形成されるホールパターン３３からなっている。そして、図３（ａ）に示された試料である基板について、上記検査装置を用いて取得した２次電子線強度の分布を示すグラフが、図３（ｂ）である。図３（ｂ）は、ホールパターンの任意の断面について作成したものである。図３（ｂ）中、観測される２次電子線の最大値をＭａｘとし、最小値をＭｉｎとすると、前記図３（ａ）のホールパターンを観測した２次電子線の強度分布は、図３（ｂ）の曲線Ｅで表される。図３（ｂ）から明らかなように、ホールパターン中心部の開口部である領域Ａの電子線強度が、最も低く、その両側にある領域Ｂは、中心部から遠ざかるに従って強度が増大し、ホールパターンのレジスト開口縁部である領域Ｃの電子線強度が、極大値を示し、さらにその外側に若干強度が低下した領域Ｄが存在している。

上記過程でメッシュに分割された各画素の２次電子線強度信号を、任意に設定された閾値と比較し、複数の領域に区分する。図３（ｂ）において、２つの閾値をＦ，Ｇで表す。この閾値を境にして、２次電子線画像のメッシュに分解した各画素を複数の区分に分類する。具体的には、メッシュに分割した各画素において戻ってきた２次電子の個数を設定された２つの閾値によって分類することにより２次電子線画像を３領域に分ける。その例を図４に示す。図４においては、図３（ａ）に示すホールパターンに対して、領域区分の閾値を２つ設定し、３領域に区分した例である。図４において、ホールパターンの中心部にある領域Ａが、ホールパターンの開口部であり、領域Ｂがホールパターンの裾引き領域もしくは側壁である。この領域の外側にある領域Ｃは、ホールパターンのレジスト開口周囲の領域である。さらに、この領域Ｃの外側にある領域Ｄは、レジスト部にあたる。このように、レジストパターンの２次電子線画像を複数の閾値で区分し、各区分に相当する画素を集合することにより、ホールパターン開口部、裾引きもしくは側壁部、及び開口周囲として検出することができる。

（評価）
上記過程で形成された区分毎の領域について、その形状もしくは面積から、検査対象となるホールパターンの良否を判別することが可能となる。
この際の判断基準としては、例えば、ホールパターン底部の開口部の面積及び形状とすることができる。このホールパターン底部の面積は、領域Ａに区分された画素の数によって知得することができ、ホールパターン底部の面積が小さい場合には、スルーホールを介した電気的接続のコンタクト抵抗が大きくなるか、あるいは、エッチング工程、成膜工程等での不良をおこし、電気的接続不良を引き起こすおそれがあり、不良品として判別する必要がある。また、領域Ｂについては、この領域Ｂの面積が大きいことは、裾引き形状が顕著であるか、あるいは、側壁部の形状がテーパー状になっているか、あるいは側壁部のレジストラフネスが大きくなっていることを表している。

以上に説明したように、ホールパターンの画像を複数の領域に区分し、その領域の形状と面積を観測することによって、ホールパターンの状態に関する情報を簡単に得ることができ、これらの情報を基に、ホールパターンの形状の良否を判別することが可能となる。この方法はライン系パターンにも適用できる。

さらに、画像を色調、濃淡、明暗などによって解析することにより、ホールパターン底部を、簡単にモニターすることができる。

［第２の実施例］
上記第１の実施例においては、走査型電子顕微鏡装置を用いた２次電子の信号によって、ホールパターンの性状について検査する方法を示したが、走査型電子顕微鏡装置を用いてそのパターンの良否の判別と同時に位置ずれについても、検査することが可能である。以下その方法について説明する。

ホールパターンが長方形の場合においては、周辺のパターン密度により長径方向の両側でシュリンク量が異なり、位置ずれが生じる場合がある。その様子を図６に示す。図６（ａ）は長方形ホールパターンが規則正しく並んでいる場合で、この場合は位置ずれが生じることはない。ところで、図６（ｂ）では、長方形ホールパターンが規則正しくは並んでいるが、周辺のパターン密度が異なっている。このような場合において、パターン６１の一端部６２側は隣接するパターンがなく相対的に疎パターンになっている一方で、パターンの他端部６３側には隣接するパターンが存在し相対的に密パターンになっている。この場合にはパターンの一端部６２側とパターンの他端部６３側のシュリンク量が異なるため位置ずれを生じる。このようなパターンの部分的な位置ずれについては、従来の寸法測定装置においては、位置ずれをモニターすることはできない。

本実施の形態の方法は、前記走査型電子顕微鏡装置を用いて前記第１の実施例の方法によって作成した画像と、このパターンレイアウトの設計図とを重ね合わせることによって、観察パターンの形成状態の設計からのずれを判別するものである。すなわち、２次電子を用いた走査型電子顕微鏡装置を用いて作成した観察パターンの画像と、設計図とを重ね合わせることにより、シュリンク量の非対称性及び全体の位置ずれ量をモニターすることができる。

本実施の形態を、図７を用いて説明する。図７において、７１は設計図のレイアウト図であり、７２は走査型電子顕微鏡装置を用いて撮像したホールパターンの観察像を示す。レジストパターンの設計レイアウト図と、ホールパターンの観察像との誤差７３、７４の寸法をモニターすることで非対称なシュリンク量をモニターすることができる。この際に、第１の実施例で説明した方法によって解析された画像の内、ホール系パターンの場合には最も電子線強度の低い領域の画像と設計図とを重ね合わせることによって位置ずれをモニターすることができる。このとき、レジストパターンの設計レイアウト図と、レジストパターンの観察像との重ね合わせは、それぞれに設けた位置決めマークを用いて重ね合わせることによって行うことができる。

一般にパターンのシュリンクは設計パターンに補助パターンを入れる等で補正されるが、上記のように非対称にパターンが形成される場合でも、設計値を基準としたシュリンク量を把握することでより正確なパターン補正ができるようになる。なお、この技術はホールパターンに限らず、ライン系パターンにも適用できる。

本発明のレジストパターン検査装置の一実施例を示す概略図である。 本発明の実施例を説明するためのレジストホールパターンの写真である。 本発明を説明するための基板の断面図及びこの基板から発射される二次電子線の強度分布図である。 本発明のレジストホールパターンの解析を説明するための図である。 従来の技術を説明するための基板の断面図及びこの基板から発射される二次電子線の強度分布図である。 長方形のレジストホールパターンを有するレイアウトの例を示す図である。 第２の実施例を示すための図である。

符号の説明

１０…走査型電子顕微鏡装置
１１…電子銃
１２…偏向コイル
１３…試料ステージ
１４…非測定半導体基板
１５…検知器
１６…偏向コイル制御装置
１７…信号処理装置
１８…試料ステージ制御装置
１９…情報処理装置
２０…表示装置
３１、５１…基板
３２、５２…レジスト
３３、５３…レジストホールパターン
６１…長方形ホールパターン
６２…ホールパターンの一端部
６３…ホールパターンの他端部
７１…レジストパターンの設計図
７２…レジストパターンの観察像

Claims (8)

1. ホールを形成したレジストに電子線を照射し、前記レジスト表面から出力される２次電子の信号強度分布を解析してレジストホールパターンの検査を行う検査方法において、
   前記レジストホールパターンの出力信号を二次元の複数網目状画素に分割し、各画素の信号強度を、任意の数の閾値で区分し、区分を同一にする画素の集合体である領域の形状もしくは面積から、前記形成されたレジストホールパターンの良否を判別することを特徴とするレジストホールパターンの検査方法。
2. 前記閾値の数が２であり、前記レジストホールパターンの画像を３領域に区分することを特徴とする請求項１記載のレジストホールパターンの検査方法。
3. 前記区分された領域の内の最も信号強度の低い領域の面積が、所定の範囲以上であるものを良品として判別することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレジストホールパターンの検査方法。
4. 前記区分された領域の内の中間的な信号強度を有する領域の面積が所定の範囲以下であるものを良品として判別することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレジストホールパターンの検査方法。
5. ホールを形成したレジストの表面に電子線ビームを走査しながら照射する手段と、
   前記レジスト表面から出力される２次電子線を検出する検出手段と、
   前記検出された２次電子線の強度分布を二次元配列の網目状画素に分割し、前記各画素の強度信号出力を、所定の閾値で区分する手段と、
   前記区分された画素について、区分を同一にする画素領域の集合体の形状もしくは面積から前記レジストに形成されたレジストホールの良否を判定することを特徴とするレジストホールパターンの検査装置。
6. レジストパターンを形成した半導体表面に電子線を照射し、前記レジスト表面から出力される２次電子の信号強度分布を解析してレジストパターンの検査を行う検査方法において、
   半導体の設計パターンと、走査型電子顕微鏡装置の観察パターンの画像とを重ね合わせることにより、観察パターンの形成状態を設計からのずれ量でモニターすることを特徴とするレジストパターン検査方法。
7. 前記走査型電子顕微鏡装置の観察パターンが、ホール系パターンの場合、パターン内で、２次電子線強度の最も低い領域であることを特徴とする請求項６に記載のレジストパターンの検査方法。
8. レジストパターンを形成した半導体表面に電子線ビームを走査しながら照射する手段と前記レジスト表面から出力される２次電子線を検出する検出手段と、観察パターンがホール系パターンである場合にはパターン内で２次電子線強度の最も低い領域の観察パターンと、設計パターンとを比較する手段を有することを特徴とするレジストパターンの検査装置。