JP4263556B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は走査型電子顕微鏡によるパターン寸法測定方法に関する。

近年半導体素子の微細化に伴って、パターン寸法の更なる高精度化が要求されている。半導体素子の微細加工は、レジストパターンを形成するためのリソグラフィ工程と、前述したレジストパターンをマスクにドライエッチングするドライエッチング工程等によりパターンを形成する加工工程とから構成される。半導体の製造に用いられるリソグラフィ用露光光源は、解像度を上げるためにｇ線（波長４３６ナノメートル（ｎｍ））、ｉ線（波長３６５ナノメートル（ｎｍ））、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ナノメートル（ｎｍ））およびＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ナノメートル（ｎｍ））と年々波長が短くなってきている。ＫｒＦやＡｒＦ等のエキシマレーザーを光源に用いる露光機では、解像度および感度の高い化学増幅型レジストが用いられており、従来通り走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法測定が行われている。

図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、従来のパターン寸法測定装置によって測定されるレジストパターンの寸法を説明するための模式図である。

リソグラフィ工程の後においてはレジストパターン９１のパターン寸法を測定し、レジストパターン９１をマスクとしてドライエッチング加工をした後においては被加工膜のパターン９４のパターン寸法を測定する。このとき、リソグラフィ工程において測定したレジストパターンと同一パターンかつ同一測定個所を走査型電子顕微鏡により測定している。このようにしてリソグラフィ工程後と加工工程後とのパターン寸法測定を同一測定個所において行うことによって、加工工程での寸法シフト量を管理している。

しかしながら、図1（ａ）ないし図１（ｃ）に示すように、特に化学増幅型レジストを用いてリソグラフィー工程の後に得られたレジストパターン９１を走査型電子顕微鏡によりパターン寸法測定した後では、レジストパターン９２のように電子線が走査されつつ照射されたエリア９３内においてはレジストパターン９２がシュリンクして寸法が小さく変化する。その場合、リソグラフィ工程後に電子線照射によりシュリンクしたパターン９２はドライエッチング等の加工工程の後、被加工膜のパターン９４にほぼ忠実に転写される。一方、図１（ｄ）および図１（ｅ）に示すように、リソグラフィ工程の後に寸法測定の対象にならず、電子線を照射していないレジストパターン９５は、加工工程後の被加工膜のパターン９６のように寸法のシュリンクなしに転写される。

このようにドライエッチング等の加工工程の後におけるパターン寸法管理では、リソグラフィ工程後に測定した同一パターン内かつ同一個所を測定するので、リソグラフィ工程後に電子線を照射したパターン９４での寸法ｃと照射していないパターン９６での寸法ｄとでは異なる値となってしまう。

従来、このような電子線照射によるレジストパターンのシュリンクを抑制するため、例えば特開２００１−３０４８４１号公報（特許文献１）に記載されているような構成が開示されていた。この特許文献１に記載されたパターン寸法測定方法は、試料を冷却して寸法測定を行うものである。試料の冷却方法には、試料台を液体窒素などによる冷却槽によって構成する方法や、ペルチェ素子による冷却のように電子的に冷却する方法があげられている。
特開２００１−３０４８４１号公報

しかしながら、上述した試料を冷却しない従来のパターン寸法測定方法の場合では、リソグラフィ工程後のパターン寸法測定時における電子線照射によってレジストパターンがシュリンクするため、加工工程における寸法シフト量及び加工工程後のパターン寸法を正確に測定することができないという問題点がある。

また、試料を冷却する従来のパターン寸法測定方法の場合では、リソグラフィ工程後のパターン寸法測定時における電子線照射によるレジストパターンのシュリンクを抑制することはできるが、試料を冷却するために時間がかかることからスループットが大幅に悪化するという問題点があった。

本発明の目的は、加工工程後のパターン寸法をスループットを悪くすることなく正確に測定することができるパターン寸法測定方法およびパターン寸法測定装置を提供することにある。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、レジストパターンに電子線を照射して、前記レジストパターンの寸法を測定する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、加速電圧および電流の異なる複数の組み合わせを有する電子線を前記レジストパターンに照射して、前記電子線の照射時間に対する前記レジストパターンの寸法のシュリンク量の変化を予め測定しておき、前記電子線の加速電圧および電流の異なる複数の組み合わせから、前記電子線の照射時間に対する前記レジストパターンの寸法のシュリンク量の変化が最も少ない前記電子線の加速電圧および電流の組み合わせを選択するステップと、前記選択した加速電圧および電流の組み合わせを有する電子線を前記レジストパターンの所定の箇所に照射して、前記レジストパターンの寸法を測定するステップとを包含することを特徴とする。

本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、前記レジストパターンは被加工膜上に形成されており、前記レジストパターンの寸法を測定するステップの後に、前記測定したレジストパターンをマスクとして前記被加工膜エッチングし、前記レジストパターンを前記被加工膜に転写するステップと、前記被加工膜における、前記レジストパターンの所定の箇所と同一の箇所に電子線を照射して前記被加工膜の寸法を測定するステップとをさらに包含することを特徴とする。

本発明によれば、加工工程後のパターン寸法を、スループットを悪くすることなく正確に測定することができるパターン寸法測定方法およびパターン寸法測定装置を提供することができる。

本実施の形態に係るパターン寸法測定方法においては、電子線照射により前記シュリンク量が実質的に一定となる時間以上レジストパターンに電子線を照射してレジストパターン寸法を測定する。このため、測定したレジストパターン寸法を補正して真のレジストパターン寸法を求めることができる。その結果、レジストパターンの寸法を正確に測定することができる。

本実施の形態に係る他のパターン寸法測定方法においては、電子線照射により前記シュリンク量が実質的に一定となる時間以上レジストパターンに電子線を照射する。このため、測定したレジストパターン寸法と測定した被加工膜の寸法に基づいて加工による寸法シフト量を求めることができる。その結果、加工による寸法シフト量を正確に求めることができる。

本実施の形態に係るさらに他のパターン寸法測定方法においては、レジストパターンに電子線を照射したとき、レジストパターンが実質的にシュリンクしないような電子線の加速電圧および電流の電子線をレジストパターンに照射して、そのパターン寸法を測定する。このため、レジストパターンの寸法を正確に測定することができる。

本実施の形態に係るさらに他のパターン寸法測定方法においては、レジストパターンに電子線を照射したとき、レジストパターンが実質的にシュリンクしないような電子線の加速電圧および電流の電子線をレジストパターンに照射して、同一の箇所に電子線を照射して被加工膜の寸法を測定する。このため、被加工膜の寸法を正確に測定することができる。

本実施の形態に係るさらに他のパターン寸法測定方法においては、被加工膜における、レジストパターンの所定の箇所と異なる箇所に電子線を照射して被加工膜の寸法を測定する。このため、被加工膜の寸法を正確に測定することができる。

レジストパターンを形成するレジストは、化学増幅型レジストであることが好ましい。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（参考例１）
図１は、参考例１に係るパターン寸法測定装置１００の構成を示すブロック図である。パターン寸法測定装置１００は、レジストパターン寸法測定部２１を備えている。レジストパターン寸法測定部２１は、被加工膜上に形成されたレジストパターンの所定の箇所に電子線を一定の時間以上照射してレジストパターン寸法を測定する。

パターン寸法測定装置１００には、転写部２３が設けられている。転写部２３は、レジストパターン寸法測定部２１によって測定されたレジストパターンをマスクとして被加工膜をエッチングし、レジストパターンを被加工膜に転写する。

パターン寸法測定装置１００は、被加工膜寸法測定部２４を備えている。被加工膜寸法測定部２４は、被加工膜における、レジストパターンの所定の箇所と同一の箇所に電子線を照射して被加工膜の寸法を測定する。

パターン寸法測定装置１００には、寸法シフト量取得部２５を備えている。寸法シフト量取得部２５は、測定したレジストパターン寸法と被加工膜の寸法に基づいて加工による寸法シフト量を求める。

パターン寸法測定装置１００は、補正部２２を備えている。補正部２２は、少なくとも、一定の時間以上照射したレジストパターンのシュリンク量により、測定したレジストパターン寸法を補正して真の前記レジストパターン寸法を求める。

このように構成されたパターン寸法測定装置１００の動作を説明する。図２（ａ）ないし図２（ｅ）は、パターン寸法測定装置１００によって測定されるレジストパターンの寸法を説明するための模式図である。図３は、パターン寸法測定装置１００によるシュリンク量の測定に用いた試料の構成を示す断面図である。図４は、パターン寸法測定装置１００が照射する電子線の照射時間とレジストパターンのシュリンク量との間の関係を示すグラフである。

図４を参照すると、縦軸は、電子線を照射していない場合に対する、電子線をＴ秒照射した場合のレジストパターンのシュリンク量を示しており、横軸は電子線照射時間である。走査型電子顕微鏡による寸法測定条件は、印加電圧を８００Ｖとし、プローブ電流を５ｐＡとした。

なお、レジストパターンおよび被エッチング膜の構成等については特に問うものではないが、図３に、パターンシュリンク量の評価に用いた試料の工程断面図を示す。シリコン基板上にＳｉＯ₂８及びＰｏｌｙ−Ｓｉ９をこの順番に成長させて積層した後、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ９の上にレジストパターン１０が形成されている。

図４に示すように、電子線をある一定時間Ｔｔｈ以上照射することによりレジストパターンのシュリンク量をほとんど一定にすることができる。本発明ではこの性質を利用するものである。

まず、図２（ａ）に示すように、化学増幅型レジストによって構成されたレジストパターン１を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、電子線を時間Ｔｔｈ以上の所定時間照射した後に、電子線が照射されたエリア３においてレジストパターン１の寸法ａを測定する。

次にシュリンクしたレジストパターン１をマスクとしてポリシリコン膜などのような下地被加工膜をエッチングしてレジストパターン１を除去する。そして、図２（ｂ）の場合と同一個所においてエッチング被加工膜パターン寸法ｃを電子線を照射して測定する。

ここで、時間Ｔｔｈ以上の所定時間電子線を照射したとき、レジストパターン１のシュリンク量ｅ（負の値）は一定になっており、照射時間がＴｔｈを越えてばらついてもシュリンク量は変化しない。そして、シュリンク量の値は図４に示すグラフからわかる。従って、寸法ｃ−シュリンク量ｅから被加工膜の真のパターン寸法ｄを算出する事ができる。また、真のレジスト寸法ｂは寸法ａ−シュリンク量ｅによって求まる。

このようにして電子線照射の影響を受けない正確な寸法を求めることができる。なお、エッチングによる加工工程での寸法シフト量はｃ−ａによって、レジストパターンのシュリンクに影響されることなく求めることができる。

このように参考例１では、リソグラフィ工程後のレジストパターン寸法測定時において電子線を時間Ｔｔｈ秒以上の所定時間照射することによって、電子線照射によるレジストパターンのシュリンク量ｅが常に一定になることから、電子線照射時間のばらつきによるシュリンク量のばらつきおよびシュリンク現象自体に影響されずに、加工工程における寸法シフト量とリソグラフィ工程後の電子線が照射されていない個所のレジストパターン寸法と加工工程後のパターン寸法とをより正確に且つスループットを悪くすることなく測定することができる。

参考例１における電子線照射による寸法測定結果を補正するためのシフト量ｅの基礎データを与える図４のグラフは、電子線照射時間を測定しながらレジストパターン測定寸法をプロットしていくことによって、実際のパターンを測定する前に予め作成しておく。

以上のように参考例１によれば、電子線照射によりシュリンク量が実質的に一定となる時間Ｔｔｈ以上レジストパターン１に電子線を照射してレジストパターン寸法を測定する。このため、測定したレジストパターン寸法を補正して真のレジストパターン寸法を求めることができる。その結果、レジストパターンの寸法を正確に測定することができる。

（実施の形態１）
図５は、実施の形態１に係るパターン寸法測定装置２００の構成を示すブロック図である。パターン寸法測定装置２００は、選択部２６を備えている。選択部２６は、レジストパターンに電子線を照射したとき、レジストパターンが実質的にシュリンクしないような電子線の加速電圧および電流を選択する。

パターン寸法測定装置２００には、パターン寸法測定部２７が設けられている。パターン寸法測定部２７は、パターン寸法測定部２７によって選択された加速電圧および電流の電子線をレジストパターンに照射して、そのパターン寸法を測定する。

このように構成されたパターン寸法測定装置２００の動作を説明する。図６および図７は、パターン寸法測定装置２００が照射する電子線の照射時間とレジストパターンのシュリンク量との間の関係を示すグラフである。

実施の形態１に係る寸法測定方法は、測定用電子線の加速電圧および電流を減少させるように調整して化学増幅型レジストなどのレジストパターン寸法を測定する。その後、このレジストパターンをマスクとして下地膜をエッチングしてパターン転写し、レジストパターン測定個所と同一箇所に電子線を照射して下地膜パターン寸法を測定する。

図６および図７には、寸法測定用パターンのレジストパターンを形成し、寸法測定用電子線を照射したときにおけるパターン幅のシュリンク量と電子線照射時間との間の関係を実測した結果が示されている。縦軸は、電子線を照射していないパターン寸法に対する電子線をＴ秒照射した後のパターン寸法のシュリンク量を示しており、横軸は実際に電子線を照射した電子線照射時間を示している。また、電子線の加速電圧と電流とをパラメータとしている。

走査型電子顕微鏡による寸法測定条件は、条件１（印加電圧８００Ｖ、プローブ電流５ｐＡ）、条件２（印加電圧３００Ｖ、プローブ電流５ｐＡ）、条件３（印加電圧２００Ｖ、プローブ電流５ｐＡ）条件４（印加電圧３００Ｖ、プローブ電流３ｐＡ）条件５（印加電圧３００Ｖ、プローブ電流２ｐＡ）とした。なお、これらシュリンク量の測定に用いた試料の構成等は同じく前述した図３に示す通りのものである。

図６および図７を比較して明らかなように、印加電圧を８００Ｖから３００Ｖに下げ、プローブ電流を５ｐＡから３ｐＡに下げることにより、すなわち測定用電子線の加速電圧および電流を調整することによって、電子線照射によるレジストパターンのシュリンク量を大幅に低減することができる。

このように電子線の加速電圧および電流を調整すると、レジストパターンの寸法が実質的にシュリンクしていないから、レジストパターン寸法を正確に測定することができる。そして、このレジストパターンをマスクとして下地膜をエッチング加工しても、その下地膜にはシュリンクの影響は及ばないので、サイドエッチなど加工工程での寸法シフト量及び加工工程後のパターン寸法をより正確に測定することができる。また、レジストパターンと同一の箇所を測定するのでスループットを悪くすることがない。

（参考例２）
図８は、参考例２に係るパターン寸法測定装置３００の構成を示すブロック図である。パターン寸法測定装置３００は、パターン寸法測定部３０を備えている。パターン寸法測定部３０は、被加工膜上に形成されたレジストパターンの所定の箇所に電子線を照射して、そのパターン寸法を測定する。

パターン寸法測定装置３００には、転写部３１が設けられている。転写部３１は、パターン寸法測定部３０によって測定されたレジストパターンをマスクとして被加工膜をエッチングし、レジストパターンを被加工膜に転写する。

パターン寸法測定装置３００は、被加工膜寸法測定部３２を備えている。被加工膜寸法測定部３２は、被加工膜における、レジストパターンの所定の箇所と異なる箇所に電子線を照射して被加工膜の寸法を測定する。

このように構成されたパターン寸法測定装置３００の動作を説明する。図９（ａ）ないし図９（ｃ）は、パターン寸法測定装置３００によって測定されるレジストパターンの寸法を説明するための模式図である。

まず、図９（ａ）に示すように、半導体基板上に化学増幅型レジストなどによって寸法測定用レジストパターン１１を形成する。次に図９（ｂ）に示すように、このレジストパターン１１において電子線が照射されたエリア１３に電子線を照射して寸法１４を測定する。レジストパターン１１は、電子線が照射されたエリア１３においてシュリンクしている。

次に、シュリンクしたレジスト１２をマスクとして、ポリシリコンなどの下地膜をエッチングすると、レジストパターン１１が転写されてシュリンク箇所が反映された加工パターン１５が得られる。

そして、このシュリンクしたレジストパターン１１と同一箇所を測定するのではなく、図９（ｂ）に示す測定ステップにおいて電子線が照射されたエリア１３を含まず、異なる寸法測定個所に電子線を照射して寸法１６を測定する。

図９（ａ）および図９（ｂ）からも明らかなように、下地膜加工工程後の寸法１６を測定する個所では、図９（ｂ）に示す寸法測定の際に照射された電子線によるパターンの変形がないことから、加工工程後のパターン寸法を正確に測定することができる。

以上のように実施の形態１に係るパターン寸法測定方法では、リソグラフィ工程後のパターン寸法測定の際、電子線照射によるレジストパターンのシュリンク量を一定もしくは大幅に低減することによって、エッチング加工工程後のパターン寸法およびそのシフト量とレジストパターンの電子線を照射していない個所の正しいレジストパターン寸法とをスループットを悪くすることなく正確に測定することができる。

また、加工工程後の寸法測定をレジストパターンの寸法測定個所と異なる個所において行うことによって、加工工程後のパターン寸法をスループットを悪くすることなく正確に測定することができる。

以上のように本発明は、超微細デバイスにおける半導体製造工程において大変重要で価値のあるものである。

参考例１に係るパターン寸法測定装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｅ）は、参考例１に係るパターン寸法測定装置によって測定されるレジストパターンの寸法を説明するための模式図である。 参考例１に係るパターン寸法測定装置によるシュリンク量の測定に用いた試料の構成を示す断面図である。 参考例１に係るパターン寸法測定装置が照射する電子線の照射時間とレジストパターンのシュリンク量との間の関係を示すグラフである。 実施の形態１に係るパターン寸法測定装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るパターン寸法測定装置が照射する電子線の照射時間とレジストパターンのシュリンク量との間の関係を示すグラフである。 実施の形態１に係るパターン寸法測定装置が照射する電子線の照射時間とレジストパターンのシュリンク量との間の関係を示すグラフである。 参考例２に係るパターン寸法測定装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は、参考例２に係るパターン寸法測定装置によって測定されるレジストパターンの寸法を説明するための模式図である。 従来のパターン寸法測定装置によって測定されるレジストパターンの寸法を説明するための模式図である。

符号の説明

２１ レジストパターン寸法測定部
２２ 補正部
２３ 転写部
２４ 被加工膜寸法測定部
２５ 寸法シフト量取得部
２６ 選択部
２７ パターン寸法測定部
２８ 転写部
２９ 被加工膜寸法測定部
３０ パターン寸法測定部
３１ 転写部
３２ 被加工膜寸法測定部

Claims (3)

1. レジストパターンに電子線を照射して、前記レジストパターンの寸法を測定する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
   加速電圧および電流の異なる複数の組み合わせを有する電子線を前記レジストパターンに照射して、前記電子線の照射時間に対する前記レジストパターンの寸法のシュリンク量の変化を予め測定しておき、前記電子線の加速電圧および電流の異なる複数の組み合わせから、前記電子線の照射時間に対する前記レジストパターンの寸法のシュリンク量の変化が最も少ない前記電子線の加速電圧および電流の組み合わせを選択するステップと、
   前記選択した加速電圧および電流の組み合わせを有する電子線を前記レジストパターンの所定の箇所に照射して、前記レジストパターンの寸法を測定するステップとを包含することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記レジストパターンは被加工膜上に形成されており、前記レジストパターンの寸法を測定するステップの後に、前記測定したレジストパターンをマスクとして前記被加工膜エッチングし、前記レジストパターンを前記被加工膜に転写するステップと、前記被加工膜における、前記レジストパターンの所定の箇所と同一の箇所に電子線を照射して前記被加工膜の寸法を測定するステップとをさらに包含することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記レジストパターンを形成するレジストは、化学増幅型レジストであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。

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