JP2022015476A - 位置ずれ計測装置、位置ずれ計測方法、及び位置ずれ計測プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】位置ずれ計測の精度を向上できる。【解決手段】位置ずれ計測装置は、入力部10と、記憶部80と、第1キャリブレーションパターンにおいて、第2位置ずれ量を算出する第1回路51と、第2キャリブレーションパターンの第1電子線画像を用いて、第3位置ずれ量を算出する第2回路52と、係数を算出する第3回路と、第1パターン及び第2パターンの第2電子線画像を用いて、第1パターンに対応する第3中心位置と第4中心位置との第4位置ずれ量を算出し、第4位置ずれ量と係数とに基づいて第1パターンと第2パターンとの第1位置ずれ量を算出する第4回路54と、を含む。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、位置ずれ計測装置、位置ずれ計測方法、及び位置ずれ計測プログラムに関する。
半導体装置の製造工程において、例えば高アスペクト比のホールまたはトレンチを形成する場合に、複数のホールまたはトレンチ(以下、「パターン」と表記する)を半導体基板に垂直な方向に積層して所望の形状を形成することがある。積層されたパターン(以下、「積層パターン」と表記する)に位置ずれが生じると、パターンの埋め込み不良が発生し、半導体装置の信頼性が低下する場合がある。このようなパターンの位置ずれ(重ね合わせ精度)を計測する場合、走査型電子顕微鏡(SEM:scanning electron microscope)を用いて位置ずれの計測を行うことがある。
位置ずれ計測の精度を向上できるパターンの位置ずれ計測装置、位置ずれ計測方法、及び位置ずれ計測プログラムを提供する。
実施形態に係る位置ずれ計測装置は、基板上に形成された第1パターンと第1パターン上に形成された第2パターンとの第1位置ずれ量を計測する装置であって、電子線画像を受信する入力部と、電子線画像を記憶する記憶部と、第1パターンに対応する第3パターンと第3パターン上に形成された第4パターンとを含む第1キャリブレーションパターンにおいて、第3パターンと第4パターンとの第2位置ずれ量を算出する第1回路と、第1パターンに対応する第5パターンと第5パターン上に形成され且つ第2パターンに対応する第6パターンとを含む第2キャリブレーションパターンの第1電子線画像を用いて、第5パターンに対応する第1閾値に基づく第1輪郭の第1中心位置と、第5パターンに対応する第2閾値に基づく第2輪郭の第2中心位置とを算出し、且つ第1中心位置と第2中心位置との第3位置ずれ量を算出する第2回路と、第2位置ずれ量と第3位置ずれ量との関係を示す係数を算出する第3回路と、第1及び第2パターンに対応する第2電子線画像を用いて、第1パターンに対応する第3閾値に基づく第3輪郭の第3中心位置と、第1パターンに対応する第4閾値に基づく第4輪郭の第4中心位置とを算出し、第3中心位置と第4中心位置との第4位置ずれ量を算出し、且つ第4位置ずれ量と係数とに基づいて第1パターンと第2パターンとの第1位置ずれ量を算出する第4回路と、を含む。
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。また、以下に示す各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施形態の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。実施形態の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
半導体装置の製造工程において、熱処理等による材料の膨張または収縮により内部応力が発生する。内部応力の影響により、同じ座標にパターンを積層させる際に、階層毎に位置ずれが生じることがある。位置ずれ量は、チップレイアウト、配線構造等の影響を受けるため、チップ面内で異なる場合がある。本実施形態の位置ずれ計測装置は、チップ内の任意の位置に積層された2つのパターンの位置ずれを計測する際に適用される。
以下の実施形態では、半導体装置の製造工程において、半導体基板に垂直な方向に積層されている2つのホールパターンの位置ずれを計測する場合について説明する。なお、積層パターンはホール形状に限定されない。例えば、2つのライン(溝形状)パターンが積層されていてもよいし、ホールパターンとラインパターンとが積層されていてもよい。
なお、本実施形態では、SEMが外部機器である場合について説明するが、本実施形態の位置ずれ計測装置は、SEMに組み込まれていてもよい。
1 構成
まず、位置ずれ計測装置の構成について、図1を用いて説明する。図1は、位置ずれ計測装置の構成の一例を示す概念図である。
まず、位置ずれ計測装置の構成について、図1を用いて説明する。図1は、位置ずれ計測装置の構成の一例を示す概念図である。
図1に示すように、位置ずれ計測装置1は、入力部10、表示部20、出力部30、インタフェース回路40、制御回路50、RAM(Random Access Memory)60、ROM(Read Only Memory)70、及びストレージ80を含む。
入力部10は、データ(SEMの画像データ、及びチップのレイアウトデータ等)及びパラメータ等の入力に用いられる。例えば、入力部10は、ユーザがパラメータ等を入力するためのキーボード及びマウス等を含む。また、例えば、入力部10は、外部機器(SEM、各種記憶媒体、または外部データベース等)からデータを受信する際のインタフェース処理を実行する。例えば、無線通信により外部機器からデータが入力される場合、位置ずれ計測装置1は、アンテナを含む通信部を含み、入力部10は、通信部に接続される。また、例えば、位置ずれ計測装置1が、CD(Compact Disk)またはDVD(Digital Versatile Disk)等のドライブを含む場合、入力部10は、ドライブに接続される。
表示部20は、制御回路50による処理結果をユーザに伝えるために使用される。例えば、表示部20は、ディスプレイ(LCD(Liquid Crystal Display)、EL(Electroluminescence)ディスプレイ、またはブラウン管等)を含む。
出力部30は、制御回路50による処理結果を出力する。例えば、出力部30は、外部機器(SEM、外部データベース、プリンタ、または各種記憶媒体等)にデータを出力する際のインタフェース処理を実行する。例えば、無線通信により外部機器にデータを出力する場合、出力部30は、通信部に接続される。また、例えば、位置ずれ計測装置1が、ドライブを含む場合、出力部30は、ドライブに接続される。
インタフェース回路40は、入力部10、表示部20、及び出力部30と、制御回路50との間のインタフェース処理を実行する。例えば、インタフェース回路40は、表示部20に接続されたGUI(Graphical User Interface)等を含んでいてもよい。
制御回路50は、例えば中央演算処理装置(CPU:Central Processing Unit)を含み、位置ずれ計測装置1の全体を制御する。なお、制御回路50の各機能は、専用回路で実現されてもよいし、制御回路50の各機能がファームウェアを実行することにより実現されてもよい。以下では、制御回路50がROM70に格納されたプログラム(ファームウェア)に基づく演算処理を実行して、位置ずれ計測を行う場合について説明する。
制御回路50は、モニタパターン位置ずれ算出回路51、ダミーパターン位置ずれ算出回路52、高さ係数算出回路53、及び評価パターン位置ずれ算出回路54を含む。
モニタパターン位置ずれ算出回路51は、モニタパターンの表面を観察したSEMの画像データ(電子線画像データ)を用いて、予め設定された閾値に対応する輝度を結んだパターンの輪郭及び当該輪郭の中心位置の座標(以下、「中心位置データ」とも表記する)を算出する。SEMの画像データでは、電子の検出信号強度を画素毎の輝度(階調値)で表している。例えば、閾値として、輝度(階調値)が設定されてもよいし、画像データ毎にコントラスト等の条件が異なるため、輝度の差分に対する割合が設定されてもよい。なお、閾値は任意に設定可能である。モニタパターン位置ずれ算出回路51は、閾値に対応する画素を結ぶことで輪郭を形成できる。本実施形態におけるモニタパターンは、下層パターンと上層パターンとを含む。モニタパターンは、下層パターンと上層パターンとの位置ずれ量の算出に用いられ、半導体装置の回路構成には適用されないキャリブレーション用パターンである。モニタパターンの詳細については後述する。例えば、モニタパターンは、チップ内のレイアウトの境界などに設けられたダミー領域(素子が形成されていない領域)に設けられていてもよく、チップの外周領域等の素子が形成されない領域に設けられてもよい。チップの外周領域は、例えば、スクライブ線、半導体装置の製造工程で使用されるフォトリソグラフィ用の目合わせパターン、または特性チェックパターン等が設けられている領域である。
より具体的には、本実施形態では、モニタパターンを計測する場合、下層パターンに対応する閾値と上層パターンに対応する閾値が予め設定されている。モニタパターン位置ずれ算出回路51は、下層パターンの閾値に対応する輝度を結んだ下層パターンの輪郭を形成する。同様に、モニタパターン位置ずれ算出回路51は、上層パターンの閾値に対応する輝度を結んだ上層パターンの輪郭を形成する。そして、モニタパターン位置ずれ算出回路51は、下層パターンの輪郭の中心位置データ及び上層パターンの輪郭に対応する中心位置データを算出する。なお、中心位置は、輪郭の重心であってもよく、輪郭に外接(または内接)する矩形の中心であってもよい。
また、モニタパターン位置ずれ算出回路51は、モニタパターンの下層パターンの輪郭の中心位置データと、上層パターンの輪郭の中心位置データとを用いて、2つの中心位置の位置ずれ量を算出する。
ダミーパターン位置ずれ算出回路52は、ダミーパターンの表面を観察したSEMの画像データを用いて、予め設定された閾値に対応する輝度を結んだダミーパターンの輪郭及び当該輪郭の中心位置データを算出する。本実施形態におけるダミーパターンは、下層パターンと上層パターンとを含む。ダミーパターンは、モニタパターンの近傍に設けられ、測定対象の評価パターンと略同一の形状を有するキャリブレーション用パターンである。ダミーパターンは、半導体装置の回路構成に適用されるパターンでもよいし、半導体装置の回路構成には適用されないパターンであってもよい。ダミーパターンの詳細については後述する。
より具体的には、本実施形態では、ダミーパターンを計測する場合、下層パターンに対応する2つの閾値が予め設定されている。例えば、ダミーパターン位置ずれ算出回路52は、下層パターンの2つの閾値から、閾値に対応する輝度を結んだ輪郭及び輪郭の中心位置データをそれぞれ算出する。なお、ダミーパターンにおける閾値の設定は任意である。例えば、上層パターンに対応する閾値が更に設定されてもよいし、下層パターンに対応する3つ以上の閾値が設定されてもよい。
また、ダミーパターン位置ずれ算出回路52は、ダミーパターンの2つの中心位置データを用いて、2つの中心位置の位置ずれ量を算出する。
高さ係数算出回路53は、モニタパターンの位置ずれ量と、ダミーパターンの2つの中心位置データの位置ずれ量との関係を表す係数(以下、「高さ係数」と表記する)を算出する。
評価パターン位置ずれ算出回路54は、評価パターンの表面を観察したSEMの画像データを用いて、予め設定された閾値に対応する評価パターンの輪郭及び当該輪郭の中心位置データを算出する。本実施形態における評価パターンは、下層パターンと上層パターンとを含む。評価パターンは、半導体装置の回路構成には適用されるパターンであり、チップの回路領域において任意に抽出可能である。評価パターンの詳細については後述する。
より具体的には、例えば、評価パターン位置ずれ算出回路54は、ダミーパターンと同様に、ダミーパターンと同じ設定の2つの閾値から、2つの輪郭及び2つの中心位置データを算出する。
また、評価パターン位置ずれ算出回路54は、評価パターンの2つの中心位置データを用いて、2つの中心位置の位置ずれ量を算出する。
更に評価パターン位置ずれ算出回路54は、高さ係数と評価パターンの2つの中心位置の位置ずれ量とを用いて、評価パターンにおける位置ずれ量を算出する。
RAM60は、制御回路50の作業領域として用いられる。また、RAM60は、位置ずれ計測の結果及びパラメータ等を一時的に保持する。
ROM70は、位置ずれ計測を行うためのプログラム(ファームウェア)等が格納された記憶媒体である。
ストレージ80は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)等である。ストレージ80には、例えば、SEMの画像データ、評価パターンのレイアウトデータ、各種パラメータ、及び計測結果等が記憶される。
2 パターンの具体例
次に、評価パターン、モニタパターン、及びダミーパターンの具体例について説明する。以下では、説明を簡略化するため、積層パターンの位置ずれが、半導体基板に平行なX方向に発生し、半導体基板に平行であり且つX方向と交差するY方向には発生していない場合について説明する。
次に、評価パターン、モニタパターン、及びダミーパターンの具体例について説明する。以下では、説明を簡略化するため、積層パターンの位置ずれが、半導体基板に平行なX方向に発生し、半導体基板に平行であり且つX方向と交差するY方向には発生していない場合について説明する。
2.1 評価パターンの一例
まず、評価パターンの一例について、図2を用いて説明する。図2は、評価パターンの上面及び断面を示す。なお、図2の例では、説明を簡略化するため、上層パターン及び下層パターンがそれぞれ1層の絶縁層内に形成されている場合を示しているが、パターンが形成される層の構造は任意である。各層は、積層体であってもよく、導電材料が含まれていてもよい。
まず、評価パターンの一例について、図2を用いて説明する。図2は、評価パターンの上面及び断面を示す。なお、図2の例では、説明を簡略化するため、上層パターン及び下層パターンがそれぞれ1層の絶縁層内に形成されている場合を示しているが、パターンが形成される層の構造は任意である。各層は、積層体であってもよく、導電材料が含まれていてもよい。
図2に示すように、半導体基板100上に、例えば、絶縁層110及び120が積層されている。評価パターンEPは、下層パターンLP0及び上層パターンUP0を含む。
下層パターンLP0は、例えば略円筒形状を有し、絶縁層110を貫通する。例えば、下層パターンLP0の底面は、半導体基板100に接する。上層パターンUP0は、下層パターンLP0上に設けられる。上層パターンUP0は、例えば略円筒形状を有し、絶縁層120を貫通する。上層パターンUP0の底面は、絶縁層110(下層パターンLP0の上面)に達する。例えば、下層パターンLP0及び上層パターンUP0は、開口部から底部に向かってXY平面における直径が短くなるテーパー形状を有する。このため、上層パターンUP0の底部の直径は、下層パターンLP0の開口部の直径よりも小さい。従って、上層パターンUP0を形成した後で、SEMによる表面観察を行った場合、SEMでは、上層パターンUP0を通して、下層パターンLP0の全体を観察できない。
下層パターンLP0における中心位置をCL0とする。上層パターンUP0における中心位置をCU0とする。また、中心位置CL0とCU0との位置ずれ量をSF0とする。図2の例では、上層パターンUP0の中心位置CU0が、下層パターンLP0の中心位置CL0に対してX方向に位置ずれ量SF0だけシフトしている。
なお、図2の例は、下層パターンLP0の形状と上層パターンUP0の形状が概略同じである場合を示しているが、下層パターンLP0及び上層パターンUP0の形状は、任意に設計可能である。例えば、パターンの開口径(開口部の直径)及びパターンの高さ(絶縁層110及び120の厚さ)がそれぞれ異なっていてもよい。
2.2 モニタパターン及びダミーパターンの一例
次に、モニタパターンMP及びダミーパターンDPの一例について、図3を用いて説明する。図3は、モニタパターンMP及びダミーパターンDPの上面及び断面を示す。なお、図3の例では、説明を簡略化するため、上層パターン及び下層パターンの各々が1層の絶縁層内に形成されている場合を示しているが、パターンが形成される層の構造は任意である。各層は、積層体であってもよく、導電材料が含まれていてもよい。
次に、モニタパターンMP及びダミーパターンDPの一例について、図3を用いて説明する。図3は、モニタパターンMP及びダミーパターンDPの上面及び断面を示す。なお、図3の例では、説明を簡略化するため、上層パターン及び下層パターンの各々が1層の絶縁層内に形成されている場合を示しているが、パターンが形成される層の構造は任意である。各層は、積層体であってもよく、導電材料が含まれていてもよい。
図3に示すように、モニタパターンMPは、下層パターンLP1及び上層パターンUP1を含む。
下層パターンLP1は、例えば略円筒形状を有し、絶縁層110を貫通する。例えば、下層パターンLP1の底面は、半導体基板100に接する。上層パターンUP1は、下層パターンLP1上に設けられる。上層パターンUP1は、例えば略四角筒形状を有し、絶縁層120を貫通する。
例えば、下層パターンLP1は、評価パターンEPの下層パターンLP0と概略同じ形状を有する。すなわち、下層パターンLP1は、下層パターンLP0と同じサイズのマスクパターンを用いて形成される。なお、下層パターンLP1は、評価パターンEPの下層パターンLP0と異なっていてもよい。下層パターンLP1は、上層パターンUP1を通して、輪郭が抽出できる形状であればよい。
他方で、上層パターンUP1は、評価パターンEPの上層パターンUP0とは形状が異なる。上層パターンUP1の開口面積は、下層パターンLP1の開口面積よりも大きい。より具体的には、上層パターンUP1は、上層パターンUP1が下層パターンLP1に対し位置ずれしても、SEMにより下層パターンLP1の開口部(側面)の全体が観察できるように十分に広い開口面積(底部面積)を有する。従って、上層パターンUP1の形状は、評価パターンEPの上層パターンUP0の形状と異なる。ここで、下層パターンLP1における中心位置をCL1とし、上層パターンUP1における中心位置をCU1とする。また、中心位置CL1とCU1との位置ずれ量をSF1とする。図3の例では、上層パターンUP1の中心位置CU1が、下層パターンLP1の中心位置CL1に対してX方向に位置ずれ量SF1だけシフトしている。
次に、ダミーパターンについて説明する。
ダミーパターンDPは、下層パターンLP2及び上層パターンUP2を含む。下層パターンLP2は、例えば略円筒形状を有し、絶縁層110を貫通する。例えば、下層パターンLP2の底面は、半導体基板100に接する。上層パターンUP2は、下層パターンLP2上に設けられる。上層パターンUP2は、例えば略円筒形状を有し、絶縁層120を貫通する。上層パターンUP2の底面は、絶縁層110(下層パターンLP2の上面)に達する。
ダミーパターンDPは、下層パターンLP2及び上層パターンUP2を含む。下層パターンLP2は、例えば略円筒形状を有し、絶縁層110を貫通する。例えば、下層パターンLP2の底面は、半導体基板100に接する。上層パターンUP2は、下層パターンLP2上に設けられる。上層パターンUP2は、例えば略円筒形状を有し、絶縁層120を貫通する。上層パターンUP2の底面は、絶縁層110(下層パターンLP2の上面)に達する。
下層パターンLP2は、評価パターンEPの下層パターンLP0と概略同じ形状を有する。同様に、上層パターンUP2は、評価パターンEPの上層パターンUP0と概略同じ形状を有する。ここで、下層パターンLP2における中心位置をCL2とし、上層パターンUP2における中心位置をCU2とする。また、中心位置CL2とCU2との位置ずれ量をSF2とする。図3の例では、上層パターンUP2の中心位置CU2が、下層パターンLP2の中心位置CL2に対してX方向に位置ずれ量SF2だけシフトしている。
ダミーパターンDPは、モニタパターンMPにおける位置ずれ量SF1と、ダミーパターンDPにおける位置ずれ量SF2とがほぼ同じとなるように、例えば、モニタパターンMPと隣り合って配置される。この場合、モニタパターンMPとダミーパターンDPとは内部応力等に起因する半導体基板100の影響を同じように受ける。このため、位置ずれ量SF1とSF2とは、概略等しくなる。
なお、評価パターンEPとダミーパターンDPとは、概略同じ形状を有しているが、パターンの配置により位置ずれ量SF0とSF1とは異なる場合がある。
3.SEMの画像データの一例
次に、SEMの画像データの一例について説明する。
次に、SEMの画像データの一例について説明する。
3.1 パターンの輪郭及び中心位置の一例
まず、SEMの表面観察画像(画像データ)から算出された輪郭及び中心位置の一例について、図4及び図5を用いて説明する。図4は、SEMの画像データから算出されたモニタパターンMP及びダミーパターンDPの輪郭の一例を示す概念図である。図5は、SEMの画像データから算出された評価パターンEPの輪郭の一例を示す概念図である。なお、図4及び図5の例では、SEMの画像データ(輝度のコントラスト)は省略されている。
まず、SEMの表面観察画像(画像データ)から算出された輪郭及び中心位置の一例について、図4及び図5を用いて説明する。図4は、SEMの画像データから算出されたモニタパターンMP及びダミーパターンDPの輪郭の一例を示す概念図である。図5は、SEMの画像データから算出された評価パターンEPの輪郭の一例を示す概念図である。なお、図4及び図5の例では、SEMの画像データ(輝度のコントラスト)は省略されている。
図4に示すように、閾値に基づいて算出された輪郭は、破線で示されている。例えば、本実施形態ではモニタパターンMPに対して、上層パターンUP1に対応する閾値Th1と下層パターンLP1に対応する閾値Th2とが設定されている。そして、閾値Th1及びTh2に対応する輝度の輪郭及びその中心位置データがそれぞれ算出される。以下、モニタパターンにおいて閾値Th1に基づいて算出された輪郭をRmp1と表記する。輪郭Rmp1に基づいて算出された中心位置をCmp1と表記する。また、モニタパターンにおいて閾値Th2に基づいて算出された輪郭をRmp2と表記する。輪郭Rmp2に基づいて算出された中心位置をCmp2と表記する。
モニタパターンMPの場合、SEMの表面観察画像において、上層パターンUP1及び下層パターンLP1のそれぞれの開口部の全体像が観察できる。このため、輪郭Rmp1及びRmp2は、モニタパターンMPの形状を反映している。上層パターンUP1の輪郭Rmp1から算出された中心位置Cmp1は、図3で説明した上層パターンUP1の中心位置CU1と概略同じである。また、下層パターンLP1の輪郭Rmp2から算出された中心位置Cmp2は、図3で説明した下層パターンLP1の中心位置CL1と概略同じである。従って、中心位置Cmp1及びCmp2から位置ずれ量SF1が算出できる。
ダミーパターンDPの場合、下層パターンLP2の開口部の全体像は観察できない。このような場合、その輪郭は下層パターンの形状を示していない場合がほとんどである。このため、下層パターンLP2の輪郭及びその中心位置を算出すると、その中心位置は、図3で説明した中心位置CL2とは異なる。しかし、その中心位置は、閾値(下層パターンLP2の深さ位置に対応)と位置ずれ量SF2とに対応して、上層パターンUP2の中心位置からシフトしている。例えば、本実施形態では、ダミーパターンDPに対して、下層パターンLP2に対応する2つの閾値Th3及びTh4が設定されている。例えば、閾値Th3とTh4とは、Th3>Th4の関係にある。すなわち、閾値Th3に対応する輝度が、閾値Th4に対応する輝度よりも高い。換言すれば、下層パターンLP2の高さ位置において、閾値Th3は、閾値Th4よりも上方(上層パターンUP2に近い側)に位置する。なお、モニタパターンMPで設定した閾値Th2は、閾値Th3またはTh4と同じであってもよく、それぞれと異なっていてもよい。以下、閾値Th3及びTh4に基づいて算出された輪郭をRdp1及びRdp2とそれぞれ表記する。また、輪郭Rdp1及びRdp2に基づいて算出された中心位置をCdp1及びCdp2とそれぞれ表記する。なお、図4の例では、上層パターンUP2の位置を示すため、モニタパターンMP計測用に設定された閾値Th1に基づいて算出された輪郭Rdp0及び中心位置Cdp0を示しているが、本実施形態の位置ずれ計測においては、中心位置Cdp0を算出しなくてもよい。
例えば、中心位置Cdp0は、図3で説明した上層パターンUP2の中心位置CU2とほぼ同じである。例えば、閾値Th3>Th4の関係にある場合、すなわち、輪郭Rdp1が輪郭Rdp2よりも下層パターンLP2の上方側(上層パターンUP2側)の位置に対応している場合、中心位置Cdp0とCdp1との距離は、中心位置Cdp0とCdp2との距離よりも短くなる。なお、中心位置Cdp0とCdp1との距離、及び中心位置Cdp0とCdp2との距離は、それぞれ位置ずれ量SF2とは異なる。位置ずれ量SF2と中心位置Cdp1及びCdp2との関係は、後述する。
図5に示すように、評価パターンEPの場合、ダミーパターンDPと同様に、下層パターンLP0の開口部の全体像は観察できない。本実施形態では、評価パターンEPの輪郭及び中心位置を算出する場合、ダミーパターンDPと同じ閾値Th3及びTh4が用いられる。以下、評価パターンEPにおいて閾値Th3及びTh4に基づいて算出された輪郭をRep1及びRep2とそれぞれ表記する。また、輪郭Rep1及びRep2に基づいて算出された中心位置をCep1及びCep2とそれぞれ表記する。なお、図5の例では、上層パターンUP0の位置を示すため、閾値Th1に基づいて算出された輪郭Rep0及び中心位置Cep0を示しているが、本実施形態の位置ずれ計測においては、中心位置Cep0を算出しなくてもよい。
例えば、中心位置Cep0は、図2で説明した上層パターンUP0の中心位置CU0とほぼ同じである。例えば、閾値Th3>Th4の関係にある場合、すなわち、輪郭Rep1が輪郭Rep2よりも下層パターンLP0の上方側(上層パターンUP0側)の位置に対応している場合、中心位置Cep0とCep1との距離は、中心位置Cep0とCep2との距離よりも短くなる。なお、中心位置Cep0とCep1との距離、及び中心位置Cep0とCep2との距離は、それぞれ位置ずれ量SF0とは異なる。
3.2 パターンの輝度プロファイルの一例
次に、SEMの画像データから算出されたパターンの輝度プロファイルの一例について、図6~図8を用いて説明する。図6は、図4のA1-A2線に沿ったモニタパターンMPの輝度プロファイルの一例を示す概念図である。図7は、図4のB1-B2線に沿ったダミーパターンDPの輝度プロファイルの一例を示す概念図である。図8は、図5のD1-D2線に沿った評価パターンEPの輝度プロファイルの一例を示す概念図である。
次に、SEMの画像データから算出されたパターンの輝度プロファイルの一例について、図6~図8を用いて説明する。図6は、図4のA1-A2線に沿ったモニタパターンMPの輝度プロファイルの一例を示す概念図である。図7は、図4のB1-B2線に沿ったダミーパターンDPの輝度プロファイルの一例を示す概念図である。図8は、図5のD1-D2線に沿った評価パターンEPの輝度プロファイルの一例を示す概念図である。
図6に示すように、実線は、各画素における輝度を示している。試料表面(絶縁層120の表面)において、輝度が最も高く、下層パターンLP1の内部において、輝度が最も低くなっている。電子線の照射幅、あるいは焦点深度の影響等により、モニタパターンMPの形状に対して、輝度プロファイルはブロードになる傾向がある。なお、図6の例は、SEMの照射電子線が下層パターンLP1の底部まで到達しない、すなわち底部が観察できない場合を示しているが、これに限定されない。例えば、モニタパターンMPのアスペクト比が比較的低い場合等において、下層パターンLP1の底部まで観察できてもよい。図6に示す輝度プロファイルに対して、上層パターンUP1及び下層パターンLP1に対応する輪郭Rmp1及びRmp2がそれぞれ算出できるように、閾値Th1及びTh2が設定されている。
図7に示すように、ダミーパターンDPの場合、輝度プロファイルから下層パターンLP2の形状(側面)についての情報は得られない(表面観察画像において、側面が観察されていない)場合が多い。しかし、上層パターンUP2の底部の幅に対応するB3-B4間の輝度プロファイルには、位置ずれに対応する情報が含まれる。より具体的には、下層パターンLP2内に到達した電子線と下層パターンLP2の側面との干渉、あるいは下層パターンLP2内における電子線の散乱等の影響により、検出された電子(輝度プロファイル)は、下層パターンLP2の中心位置CL2に向かって、偏向する。従って、下層パターンLP2の中心位置CL2と上層パターンUP2の中心位置CU2とを結ぶ直線上に、閾値Th3に対応する中心位置Cdp1と及び閾値Th4に対応する中心位置Cdp2とが位置する。このため、中心位置CL2とCU2との差(位置ずれ量SF2)と、中心位置Cdp1とCdp2との差とは、ほぼ比例の関係にある。この関係を表す係数(高さ係数)を求めることにより、中心位置Cdp1及びCdp2と高さ係数とから位置ずれ量SF2を算出できる。位置ずれ量SF1≒SF2の関係にあるため、モニタパターンMPの位置ずれ量SF1と、ダミーパターンDPの中心位置Cdp1及びCdp2とから、高さ係数hを算出できる。
図8に示すように、評価パターンEPの輝度プロファイルは、ダミーパターンDPの輝度プロファイルと同様の傾向を示す。従って、下層パターンLP0の中心位置CL0と上層パターンUP0の中心位置CU0とを結ぶ直線上に、閾値Th3に対応する中心位置Cep1と及び閾値Th4に対応する中心位置Cep2とが位置する。従って、中心位置Cep1及びCdp2と、高さ係数hとを用いることにより、評価パターンEPにおける位置ずれ量SF0を算出できる。
4.位置ずれの計測動作
次に、位置ずれの計測動作の一例について、図9及び図10を用いて説明する。図9及び図10は、位置ずれの計測動作の全体の流れを示すフローチャートである。
次に、位置ずれの計測動作の一例について、図9及び図10を用いて説明する。図9及び図10は、位置ずれの計測動作の全体の流れを示すフローチャートである。
位置ずれの計測動作は、大まかにキャリブレーション動作と計測動作とを含む。
キャリブレーション動作は、モニタパターンMP及びダミーパターンDPを用いて高さ係数hを求める動作である。なお、キャリブレーションに用いられるモニタパターンMP及びダミーパターンDPは、それぞれ1つでもよく複数であってもよい。また、1つのモニタパターンMPに対して、複数のダミーパターンDPが計測の対象とされてもよい。更には、モニタパターンMP及びダミーパターンDPは、評価パターンEPを含むチップ内に設けられていてもよく、同じウェハの異なるチップ、あるいは、同じパターンを有する異なるウェハに設けられていてもよい。例えば、高さ係数hの算出方法として、複数のデータを用いた最小二乗法が用いられてもよい。
計測動作は、高さ係数hを用いて評価パターンEPにおける位置ずれ量を計測する動作である。
図9に示すように、まず、キャリブレーション動作が実行される。
モニタパターン位置ずれ算出回路51は、例えば、ストレージ80からモニタパターンMPのSEMの画像データ(電子線画像)を取得する(ステップS11)。
モニタパターン位置ずれ算出回路51は、例えば、ストレージ80からモニタパターンMPのSEMの画像データ(電子線画像)を取得する(ステップS11)。
次に、モニタパターン位置ずれ算出回路51は、閾値Th1に基づいて、上層パターンUP1の輪郭Rmp1及びその中心位置Cmp1を算出する(ステップS12)。
次に、モニタパターン位置ずれ算出回路51は、閾値Th2に基づいて、下層パターンLP1の輪郭Rmp2及びその中心位置Cmp2を算出する(ステップS13)。なお、ステップS12とS13とは、同時に行われてもよく、順序が入れ替わってもよい。
次に、モニタパターン位置ずれ算出回路51は、中心位置Cmp1及びCmp2からモニタパターンMPの位置ずれ量SF1を算出する(ステップS14)。
ダミーパターン位置ずれ算出回路52は、例えば、ストレージ80からダミーパターンDPのSEMの画像データ(電子線画像)を取得する(ステップS15)。
次に、ダミーパターン位置ずれ算出回路52は、閾値Th3に基づいて、下層パターンLP2の輪郭Rdp1及びその中心位置Cdp1を算出する(ステップS16)。
次に、ダミーパターン位置ずれ算出回路52は、閾値Th4に基づいて、下層パターンLP2の輪郭Rdp2及びその中心位置Cdp2を算出する(ステップS17)。なお、ステップS16とS17とは、同時に行われてもよく、順序が入れ替わってもよい。
次に、ダミーパターン位置ずれ算出回路52は、中心位置Cdp1とCdp2との位置ずれ量を算出する(ステップS18)。なお、モニタパターン位置ずれ算出回路51が実行するステップS11~S14までの動作と、ダミーパターン位置ずれ算出回路52が実行するステップS15~S18までの動作の順序は、入れ替わってもよい。
次に、高さ係数算出回路53は、中心位置Cdp1とCdp2との位置ずれ量と、位置ずれ量SF1とから高さ係数hを算出する(ステップS19)。すなわち、制御回路50は、キャリブレーションの結果として、高さ係数hを得る。
図10に示すように、次に、計測動作が実行される。
評価パターン位置ずれ算出回路54は、例えば、ストレージ80から評価パターンEPのSEMの画像データを取得する(ステップS20)。
評価パターン位置ずれ算出回路54は、例えば、ストレージ80から評価パターンEPのSEMの画像データを取得する(ステップS20)。
次に、評価パターン位置ずれ算出回路54は、閾値Th3に基づいて、下層パターンLP0の輪郭Rep1及びその中心位置Cep1を算出する(ステップS21)。
次に、評価パターン位置ずれ算出回路54は、閾値Th4に基づいて、下層パターンLP0の輪郭Rep2及びその中心位置Cep2を算出する(ステップS22)。なお、ステップS21とS22とは、同時に行われてもよく、順序が入れ替わってもよい。
次に、評価パターン位置ずれ算出回路54は、中心位置Cep1とCep2との位置ずれ量を算出する(ステップS23)。
次に、評価パターン位置ずれ算出回路54は、中心位置Cep1とCep2との位置ずれ量と、高さ係数hとから評価パターンEPの位置ずれ量SF0を算出する(ステップS24)。
制御回路50は、評価パターンEPの画像データ、輪郭Rep1及びRep2、中心位置Cep1及びCep2、あるいは位置ずれ量SF0等の計測結果を出力する(ステップS25)。
5.本実施形態に係る効果
本実施形態に係る構成であれば、パターンの位置ずれ計測の精度を向上できる。本効果につき詳述する。
本実施形態に係る構成であれば、パターンの位置ずれ計測の精度を向上できる。本効果につき詳述する。
積層されたパターンを有する評価パターンの位置ずれ計測において、下層パターンの開口部の面積が上層パターンの底部の面積よりも大きい場合、SEMによる表面観察画像では、下層パターンの形状が確認できないため、位置ずれの計測ができない。このような場合の評価パターンの位置ずれ計測方法として、測定位置(回路領域)にモニタパターンを形成し、当該パターンにおける位置ずれ量を計測する方法がある。この方法では、位置ずれ計測用のモニタパターンが回路領域に設けられたレチクル(マスク)の作製に、数週間かかる場合がある。また、専用のレチクルを作製する費用が発生する。更に、回路領域にモニタパターンを形成したウェハは、製品には使用できないため、位置ずれ計測後に廃棄処理となる。従って、この方法は、時間と費用が掛かる。
これに対し、本実施形態に係る構成であれば、位置ずれ計測装置は、モニタパターン位置ずれ算出回路と、ダミーパターン位置ずれ算出回路と、高さ係数算出回路と、評価パターン位置ずれ算出回路とを含む。これにより、回路領域以外に設けられたモニタパターンとダミーパターンとを用いて、評価パターンの計測に用いる高さ係数hを算出できる。更に、SEMの画像データを用いた評価パターンの計測結果を高さ係数hで補正することにより、評価パターンの位置ずれを計測できる。すなわち、評価パターンのSEM画像データから位置ずれ量を算出できる。評価パターンを直接計測して、その位置ずれ量を算出できるため、位置ずれ計測の精度を向上できる。
更に、本実施形態に係る構成であれば、評価パターンを直接計測できるため、回路領域の任意の場所を、状況に応じて選択できる。このためチップ面内の位置ずれ量のばらつきをより精度よく算出できる。
更に、本実施形態に係る構成であれば、回路領域以外にモニタパターンとダミーパターンを作製できるため、モニタパターン専用のレチクルを作製する必要がなく、レチクル作製の費用、作製時間、また、モニタパターンを作製したことによるウェハの廃棄費用を削減できる。従って、製品の開発費用及び開発期間を削減できる。
6.変形例等
上記実施形態に係る構成によれば、位置ずれ計測装置は、基板上に形成された第1パターン(LP0)と第1パターン上に形成された第2パターン(UP0)との第1位置ずれ量(SF0)を計測する装置であって、電子線画像を受信する入力部(10)と、電子線画像を記憶する記憶部(80)と、第1パターンに対応する第3パターン(LP1)と第3パターン上に形成された第4パターン(UP1)とを含む第1キャリブレーションパターン(MP)において、第3パターンと第4パターンとの第2位置ずれ量(SF1)を算出する第1回路(51)と、第1パターンに対応する第5パターン(LP2)と第5パターン上に形成され且つ第2パターンに対応する第6パターン(UP2)とを含む第2キャリブレーションパターン(DP)の第1電子線画像を用いて、第5パターンに対応する第1閾値(Th3)に基づく第1輪郭(Rdp1)の第1中心位置(Cdp1)と、第5パターンに対応する第2閾値(Th4)に基づく第2輪郭(Rdp2)の第2中心位置(Cdp2)とを算出し、且つ第1中心位置と第2中心位置との第3位置ずれ量を算出する第2回路(52)と、第2位置ずれ量と第3位置ずれ量との関係を示す係数(h)を算出する第3回路(53)と、第1及び第2パターンに対応する第2電子線画像を用いて、第1パターンに対応する第3閾値(Th3)に基づく第3輪郭(Rep1)の第3中心位置(Cep1)と、第1パターンに対応する第4閾値(Th4)に基づく第4輪郭(Rep2)の第4中心位置(Cep2)とを算出し、第3中心位置と第4中心位置との第4位置ずれ量を算出し、且つ第4位置ずれ量と係数とに基づいて第1パターンと第2パターンとの第1位置ずれ量(SF0)を算出する第4回路(54)と、を含む。
上記実施形態に係る構成によれば、位置ずれ計測装置は、基板上に形成された第1パターン(LP0)と第1パターン上に形成された第2パターン(UP0)との第1位置ずれ量(SF0)を計測する装置であって、電子線画像を受信する入力部(10)と、電子線画像を記憶する記憶部(80)と、第1パターンに対応する第3パターン(LP1)と第3パターン上に形成された第4パターン(UP1)とを含む第1キャリブレーションパターン(MP)において、第3パターンと第4パターンとの第2位置ずれ量(SF1)を算出する第1回路(51)と、第1パターンに対応する第5パターン(LP2)と第5パターン上に形成され且つ第2パターンに対応する第6パターン(UP2)とを含む第2キャリブレーションパターン(DP)の第1電子線画像を用いて、第5パターンに対応する第1閾値(Th3)に基づく第1輪郭(Rdp1)の第1中心位置(Cdp1)と、第5パターンに対応する第2閾値(Th4)に基づく第2輪郭(Rdp2)の第2中心位置(Cdp2)とを算出し、且つ第1中心位置と第2中心位置との第3位置ずれ量を算出する第2回路(52)と、第2位置ずれ量と第3位置ずれ量との関係を示す係数(h)を算出する第3回路(53)と、第1及び第2パターンに対応する第2電子線画像を用いて、第1パターンに対応する第3閾値(Th3)に基づく第3輪郭(Rep1)の第3中心位置(Cep1)と、第1パターンに対応する第4閾値(Th4)に基づく第4輪郭(Rep2)の第4中心位置(Cep2)とを算出し、第3中心位置と第4中心位置との第4位置ずれ量を算出し、且つ第4位置ずれ量と係数とに基づいて第1パターンと第2パターンとの第1位置ずれ量(SF0)を算出する第4回路(54)と、を含む。
上記実施形態により、位置ずれ計測の精度が向上できる位置ずれ計測装置を提供する。
なお、実施形態は上記で説明した形態に限られず、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、モニタパターンMPにおける位置ずれ量SF1を、SEMによる表面観察画像を用いて算出しているが、これに限定されない。例えば、モニタパターンMPの断面観察を行い、その結果から位置ずれ量SF1を算出してもよい。また、モニタパターンMPの断面観察から位置ずれ量を算出する場合、上層パターンUP1は、評価パターンUP0と概略同じ形状であってもよい。
更に、上記実施形態では、2つのパターンが積層されている場合について説明したが、3つ以上のパターンが積層されていてもよい。この場合、最上層のパターンと、上層から2層目のパターンの位置ずれ量を計測できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…位置ずれ計測装置、10…入力部、20…表示部、30…出力部、40…インタフェース回路、50…制御回路、51…モニタパターン位置ずれ算出回路、52…ダミーパターン位置ずれ算出回路、53…高さ係数算出回路、54…評価パターン位置ずれ算出回路、60…RAM、70…ROM、80…ストレージ、100…半導体基板、110…絶縁層、120…絶縁層。
Claims (9)
- 基板上に形成された第1パターンと前記第1パターン上に形成された第2パターンとの第1位置ずれ量を計測する位置ずれ計測装置において、
電子線画像を受信する入力部と、
前記電子線画像を記憶する記憶部と、
前記第1パターンに対応する第3パターンと前記第3パターン上に形成された第4パターンとを含む第1キャリブレーションパターンにおいて、前記第3パターンと前記第4パターンとの第2位置ずれ量を算出する第1回路と、
前記第1パターンに対応する第5パターンと前記第5パターン上に形成され且つ前記第2パターンに対応する第6パターンとを含む第2キャリブレーションパターンの第1電子線画像を用いて、前記第5パターンに対応する第1閾値に基づく第1輪郭の第1中心位置と、前記第5パターンに対応する第2閾値に基づく第2輪郭の第2中心位置とを算出し、且つ前記第1中心位置と前記第2中心位置との第3位置ずれ量を算出する第2回路と、
前記第2位置ずれ量と前記第3位置ずれ量との関係を示す係数を算出する第3回路と、
前記第1及び第2パターンに対応する第2電子線画像を用いて、前記第1パターンに対応する第3閾値に基づく第3輪郭の第3中心位置と、前記第1パターンに対応する第4閾値に基づく第4輪郭の第4中心位置とを算出し、前記第3中心位置と前記第4中心位置との第4位置ずれ量を算出し、且つ前記第4位置ずれ量と前記係数とに基づいて前記第1パターンと前記第2パターンとの前記第1位置ずれ量を算出する第4回路と
を備える、
位置ずれ計測装置。 - 前記第1回路は、前記第1キャリブレーションパターンの第3電子線画像を用いて、前記第3パターンに対応する第5閾値に基づく第5輪郭の第5中心位置と、前記第4パターンに対応する第6閾値に基づく第6輪郭の第6中心位置とを算出し、且つ前記第5中心位置と前記第6中心位置との前記第2位置ずれ量を算出する、
請求項1に記載の位置ずれ計測装置。 - 前記第4パターンの底面部の面積は、前記第3パターンの開口部の面積よりも大きい、
請求項1または2に記載の位置ずれ計測装置。 - 前記第1閾値と前記第3閾値とは同じであり、前記第2閾値と前記第4閾値とは同じである、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の位置ずれ計測装置。 - 前記第1、第3、及び第5パターンは同じ形状を有し、前記第2及び第6パターンは同じ形状を有する、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の位置ずれ計測装置。 - 前記第1位置ずれ量を出力する出力部を更に備える、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の位置ずれ計測装置。 - 基板上に形成された第1パターンと前記第1パターン上に形成された第2パターンとの第1位置ずれ量を計測する位置ずれ計測方法において
前記第1パターンに対応する第3パターンと前記第3パターン上に形成された第4パターンとを含む第1キャリブレーションパターンにおいて、前記第3パターンと前記第4パターンとの第2位置ずれ量を算出する工程と、
前記第1パターンに対応する第5パターンと前記第5パターン上に形成され且つ前記第2パターンに対応する第6パターンとを含む第2キャリブレーションパターンの第1電子線画像を取得する工程と、
前記第1電子線画像を用いて、前記第5パターンに対応する第1閾値に基づく第1輪郭の第1中心位置と、前記第5パターンに対応する第2閾値に基づく第2輪郭の第2中心位置と、を算出する工程と、
前記第1中心位置と前記第2中心位置との第3位置ずれ量を算出する工程と
前記第2位置ずれ量と前記第3位置ずれ量との関係を示す係数を算出する工程と、
前記第1及び第2パターンに対応する第2電子線画像を取得する工程と、
前記第2電子線画像を用いて、前記第1パターンに対応する第3閾値に基づく第3輪郭の第3中心位置と、前記第1パターンに対応する第4閾値に基づく第4輪郭の第4中心位置と、を算出する工程と、
前記第3中心位置と前記第4中心位置との第4位置ずれ量を算出する工程と、
前記第4位置ずれ量と前記係数に基づいて前記第1パターンと前記第2パターンとの前記第1位置ずれ量を算出する工程と
を備える、
位置ずれ計測方法。 - 前記第2位置ずれ量を算出する工程は、
前記第1キャリブレーションパターンの第3電子線画像を取得する工程と、
前記第3電子線画像を用いて、前記第3パターンに対応する第5閾値に基づく第5輪郭の第5中心位置と、前記第4パターンに対応する第6閾値に基づく第6輪郭の第6中心位置とを算出する工程と、
前記第5中心位置と前記第6中心位置との前記第2位置ずれ量を算出する工程と
を含む、
請求項7に記載の位置ずれ計測方法。 - 基板上に形成された第1パターンと前記第1パターン上に形成された第2パターンとの第1位置ずれ量を計測する位置ずれ計測装置において実行される位置ずれ計測プログラムにおいて、
前記第1パターンに対応する第3パターンと前記第3パターン上に形成された第4パターンとを含む第1キャリブレーションパターンにおいて、前記第3パターンと前記第4パターンとの第2位置ずれ量を算出する処理と、
前記第1パターンに対応する第5パターンと前記第5パターン上に形成され且つ前記第2パターンに対応する第6パターンとを含む第2キャリブレーションパターンの第1電子線画像を取得する処理と、
前記第1電子線画像を用いて、前記第5パターンに対応する第1閾値に基づく第1輪郭の第1中心位置と、前記第5パターンに対応する第2閾値に基づく第2輪郭の第2中心位置と、を算出する処理と、
前記第1中心位置と前記第2中心位置との第3位置ずれ量を算出する処理と
前記第2位置ずれ量と前記第3位置ずれ量との関係を示す係数を算出する処理と、
前記第1及び第2パターンに対応する第2電子線画像を取得する処理と、
前記第2電子線画像を用いて、前記第1パターンに対応する第3閾値に基づく第3輪郭の第3中心位置と、前記第1パターンに対応する第4閾値に基づく第4輪郭の第4中心位置と、を算出する処理と、
前記第3中心位置と前記第4中心位置との第4位置ずれ量を算出する処理と、
前記第4位置ずれ量と前記係数に基づいて前記第1パターンと前記第2パターンとの前記第1位置ずれ量を算出する処理と
を実行させる、
位置ずれ計測プログラム。
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