JP2012018097A

JP2012018097A - パターン測定方法およびパターン測定装置

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Publication number: JP2012018097A
Application number: JP2010156161A
Authority: JP
Inventors: Kazuatsu Takasaki; 千温高崎
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】薄膜化されたレジストを有する測定パターンの構造をスキャトロメトリ法で測定する場合、構造を十分な測定感度で測定できない部位が生じ、測定パターンの構造を精度良く測定できないことがある。
【解決手段】光源２０１は、光ビームを測定パターン３０１に照射するスペクトル測定部２０４は、光ビームの測定パターン３０１による反射回折光のスペクトルである実スペクトルを検出する。制御部２０５は、実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを、その実スペクトル内の複数の波長領域のそれぞれについて行い、測定パターンの構造を測定する。
【選択図】図８

Description

本発明は、スキャトロメトリ（光波散乱測定）法を用いて、基板上に形成された測定パターンの構造を測定するパターン測定方法およびパターン測定装置に関する。

近年、半導体デバイスでは、ゲート配線などの微細なパターンを加工するためのマスク材料としてＡｒＦ（フッ化アルゴン）レジストが用いられることが多い。しかしながら、ＡｒＦレジストには、電子ビームに対するダメージ耐性が低いという問題がある。このため、半導体デバイスの製造工程において、レジストリパターンを含むパターンの構造（寸法や形状）を測定するために、ＣＤＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）のような２次電子放出型の測定装置が使用されると、ＡｒＦレジストにおける電子ビームの入射箇所が縮小し、測定誤差などが生じることがあった。

これに対して、レジストに電子ダメージを与えない、光学式のパターン測定方法であるスキャトロメトリ法が注目されている（特許文献１および２参照）。

スキャトロメトリ法では、一般的に、測定対象のパターンである測定パターンに対して光ビームが照射され、測定パターンからの反射回折光のスペクトルである実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングが行われることで、測定パターンの構造が測定される。ここで、波形フィッティングとは、測定モデルの可変パラメータを変化させながら、実スペクトルと理論スペクトルとを比較し、実スペクトルと理論スペクトルとが最も精度良く合致するときの可変パラメータを数値計算で求めることである。

特表２００４-５１３５０９号公報特開２００６-２２６９９４号公報

近年、半導体デバイスにおいてノードの小型化が進んでおり、それに伴い、レジストマスクの微細化が進んでいる。このとき、リソグラフィーの解像度限界などのために、レジストの薄膜化が必要となる場合がある。

薄膜化されたレジストを有する測定パターンの構造をスキャトロメトリ法で測定する場合、構造を十分な測定感度で測定できない部位が生じ、測定パターンの構造を精度良く測定できないことがある。

なお、測定パターンの構造の測定精度を向上させるための方法には、理論スペクトルのサンプリング点数である波長分割数を多くする方法がある。しかしながら、波長分割数を多くすると、波形フィッティングの際に構築される、ライブラリと呼ばれる理論スペクトルのデータベースのサイズが計算処理可能な上限値を超えて、測定パターンの構造を計算することができないことがある。

本発明によるパターン測定方法は、基板上に形成された測定パターンの構造を測定するパターン測定方法であって、光ビームを前記測定パターンに照射し、前記光ビームの前記測定パターンによる反射回折光のスペクトルである実スペクトルを検出し、前記実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを、当該実スペクトル内の複数の波長領域のそれぞれについて行い、前記測定パターンの構造を測定する。

本発明によるパターン測定装置は、基板上に形成された測定パターンの構造を測定するパターン測定装置であって、光ビームを前記測定パターンに照射する光源と、前記光ビームの前記測定パターンによる反射回折光のスペクトルである実スペクトルを検出するスペクトル測定部と、前記実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを、当該実スペクトル内の複数の波長領域のそれぞれについて行い、前記測定パターンの構造を測定する制御部と、を有する。

本発明によれば、実スペクトルと理論スペクトルとの波形フィッティングが複数の波長領域のそれぞれについて行われるので、測定感度の低い部位に応じた波長領域内の波長分割数のみを多くするだけで、パターンの構造を精度良く測定することが可能になる。したがって、ライブラリのサイズを計算処理可能な上限値より小さくしつつ、パターンの構造を精度良く測定することが可能になる。

レジストの塗布、露光および現像後のワード線の構造例を示す図である。下層レジスト層のドライエッチ後のワード線の構造例を示す図である。Ｐ-ＳｉＮ層およびＰ-ＳｉＯ層のドライエッチ後のワード線の構造例を示す図である。プラズマアッシング後のワード線の構造例を示す図である。Ｗ／ＷＮ／ＷＳｉのドライエッチ後のワード線の構造例を示す図である。保護膜の成膜後のワード線の構造例を示す図である。ＤＯＰＯＳ層のドライエッチ後のワード線の構造例を示す図である。パターン測定装置の構成例を示す図である。測定モデルの一例を示す図である。全波長領域を使用した波形フィッティングの一例を説明するための図である。スキャトロメトリ法によるレジスト層内の測定部位の一例を示す図である。全波長領域を使用し、かつ、波長分割数を増加させた波形フィッティングの一例を説明するための図である。短波長領域を使用し、かつ、波長分割数を増加させた波形フィッティングの例を示す図である。波形フィッティングを２回行うスキャトロメトリ法の一例を説明するための図である。波形フィッティングを２回行うスキャトロメトリ法の他の例を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

以下、本発明の第１の実施形態として、基板上に形成された測定パターンの構造をスキャトロメトリ法を用いて測定するパターン測定方法について説明する。

図１は、本実施形態のパターン測定方法にて構造が測定される測定パターンの縦構造を示す図である。

図１に示す測定パターンは、ハードマスクをエッチング加工するためのバイレイヤ（Bi-Layer）レジストの塗布、露光および現像が行われた後のワード線である。図１では、Ｓｉ基板１の上に、Ｓｉ０層２、ＤＯＰＯＳ（doped polycrystalline silicon）層３、Ｗ/ＷＮ/ＷＳｉ層４、Ｐ-ＳｉＮ層５、Ｐ-ＳｉＯ層６、下層レジスト層７、レジスト（ＰＲ：Photo Resist）層８が下から順に積層されている。なお、Ｗ/ＷＮ/ＷＳｉ層４は、Ｗ層、ＷＮ層およびＷＳｉ層の積層構造体である。また、レジスト層８は、ＡｒＦで形成された薄膜である。

ここで、ワード線は、ＤＯＰＯＳ層３およびＷ/ＷＮ/ＷＳｉ層４で形成される。しかしながら、以下では、Ｓｉ０層２、ＤＯＰＯＳ層３およびＷ/ＷＮ/ＷＳｉ層４に加えて、Ｐ-ＳｉＮ層５、Ｐ-ＳｉＯ層６、下層レジスト層７およびレジスト層８を含めたものをワード線と呼ぶ。なお、図１に示すワード線は、ＰｏｌｙＭｅｔａｌ-Ｇａｔｅ電極として用いられるものである。

各層の寸法（膜厚）は、Ｓｉ０層２「６ｎｍ」、ＤＯＰＯＳ層３「８０ｎｍ」、Ｗ/ＷＮ/ＷＳｉ層４「７０ｎｍ」、Ｐ-ＳｉＮ層５「１４０ｎｍ」、Ｐ-ＳｉＯ層６「８０ｎｍ」、下層レジスト層７「３００ｎｍ」、レジスト層８「８０ｎｍ」としている。また、Ｗ/ＷＮ/ＷＳｉ層４では、Ｗ層「５５ｎｍ」、ＷＮ層「１０ｎｍ」、ＷＳｉ層「５ｎｍ」としている。

以下、図１〜図７を参照しながらワード線の形成工程を説明する。

先ず、図１で示したワード線に対して、図２に示すように、レジスト層８をマスクとして下層レジスト層７をドライエッチング法により加工する。続いて、図３に示すように、下層レジスト層７をマスクとしてＰ-ＳｉＮ層５およびＰ-ＳｉＯ層６をドライエッチング法により加工する。さらに、図４に示すように、プラズマアッシングにより下層レジスト層７を剥離させて除去する。その後、図５に示すように、Ｐ-ＳｉＮ層５およびＰ-ＳｉＯ層６をマスクとしてＷ/ＷＮ/ＷＳｉ層４をドライエッチング法により加工する。このとき、ＤＯＰＯＳ層３の表層を１０ｎｍ程度エッチングするものとする。次に、図６に示すように、ワード線の表面にＳｉＮで形成された保護膜９を成膜する。なお、保護膜９の厚さは１４ｎｍとする。そして図７に示すように、ＤＯＰＯＳ層３をドライエッチング法により加工する。

上記のワード線の形成工程において、図１に示したワード線の構造測定は、ワード線の最終的な寸法を制御する上で重要である。この構造測定に２次電子放出型の測定装置が使用されると、電子ビームの入射箇所にあるレジスト層８が縮小し、測定誤差やワード線の欠陥が生じる可能性がある。そこで、以下では、レジスト層８に電子ダメージを与えない光学式のパターン測定方法であるスキャトロメトリ法を検討する。

図８は、本スキャトロメトリ法を用いて測定パターンの構造を測定するパターン測定装置の構成例を示す図である。図８において、パターン測定装置は、光源２０１と、偏光子２０２と、検光子２０３と、スペクトル測定部２０４と、制御部２０５とを有する。また、スペクトル測定部２０４は、分光器２０４Ａおよびディテクターアレイ２０４Ｂを有する。

なお、パターン測定装置の測定対象である測定パターン３０１は、スクライブ上の下地各層にパターンのない測定専用パターン（５０ｕｍ口）であるとしている。しかしながら、測定パターン３０１は、このような測定専用のパターンに限らない。

光源２０１は、光ビームを、偏光子２０２を介して測定パターン３０１に照射する。なお、光ビームの全波長領域は、予め定められている。例えば、光源２０１としてＸｅランプを使用することができ、この場合、光ビームの全波長領域は２５０〜７５０ｎｍ程度になる。また、測定パターン上の光ビームのスポット３０２は、例えば、３０ｕｍである。

測定パターン３０１に照射された光ビームの測定パターン３０１による反射屈折光は、検光子２０３を介して分光器２０４Ａに入射される。

分光器２０４Ａは、その入射された反射屈折光を分光してディテクターアレイ２０４Ｂに出射する。ディテクターアレイ２０４Ｂは、分光器２０４Ａからの各分光光の光強度を検出することで、反射屈折光のスペクトルである実スペクトルを検出する。これにより、分光器２０４Ａおよびディテクターアレイ２０４Ｂを有するスペクトル測定部２０４は、光源２０１から照射された光ビームの測定パターン３０１による反射屈折光のスペクトルである実スペクトルを検出することになる。なお、ディテクターアレイ２０４Ｂは、例えば、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサなどで構成することができる。

制御部２０５は、光源２０１に光ビームを測定パターン３０１に照射させる。そして、制御部２０５は、スペクトル測定部２０４にて検出された実スペクトルから測定パターンの構造を測定する。

以下、制御部２０５による測定パターンの測定方法を説明する前に、本発明の理解を容易にするために従来のスキャトロメトリ法について説明する。

従来のスキャトロメトリ法では、上述したように、実スペクトルと、予め用意された測定モデルから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングが行われることで、測定パターンの構造が数値計算される。ここで、波形フィッティングとは、測定モデルの可変パラメータを変化させながら、実スペクトルと理論スペクトルとを比較し、実スペクトルと理論スペクトルとが最も精度良く合致するときの可変パラメータを数値計算で求めることである。

測定パターンが図１に示したワード線の場合、測定モデルとしては、例えば、図８に示す測定モデルが使用される。図９において、測定モデルでは、Ｓｉ基板１０１、Ｓｉ０層１０２、ＤＯＰＯＳ層１０３、Ｗ/ＷＮ/ＷＳｉ層１０４、Ｐ-ＳｉＮ層１０５、Ｐ-ＳｉＯ層１０６、下層レジスト層１０７、レジスト層１０８が下から順に積層されている。

図９に示す測定モデルでは、図中の矢印で示された、Ｐ-ＳｉＮ層１０５、Ｐ-ＳｉＯ層１０６、下層レジスト層１０７およびレジスト層１０８の膜厚と、レジスト層１０８の上下方向における中央部分の幅と、レジスト層１０８の側壁角度とが可変パラメータとなる。

従来のスキャトロメトリ法では、図１に示すワード線からの反射回折光の実スペクトルＳ１と、図９で示した測定モデルから算出される理論スペクトルＳ２との波形フィッティングが、実スペクトルの全波長領域について１回だけ行われ、図１０で示すように理論スペクトル（可変パラメータ）が数値計算で算出される。

なお、図１０において、横軸は波長を示し、縦軸は光強度を示す。実線は実スペクトルを示す。また、丸印は理論スペクトルのサンプリング点である波長分割数を示し、その丸印の数は、理論スペクトルのサンプリング点数となる。なお、実スペクトルは、ワード線に照射される光ビームの偏向方向に応じて異なり、図１０では、互いに異なる２つの偏向方向αおよびβについての実スペクトルＳ１および理論スペクトルＳ２が示されている。

上記のスキャトロメトリ法では、ワード線の任意の部位が同程度の測定感度で測定できるわけではなく、レジスト層８が薄膜であることに起因して、測定感度の高い部位と低い部位とが生じる。例えば、図１１に示すように、レジスト層８の上下方向における中央部（Middle部）の幅Ｌに対する測定感度は高いが、レジスト層８の側壁角度ｍに対する測定感度は低い。このため、理論スペクトルの波長分割数が、レジスト層８が薄膜でないときと同程度の場合、側壁角度ｍの誤差が大きくなり、レジスト層８の下底部（Ｂｏｔｔｏｍ部）の幅ｎや上底部（Ｔｏｐ部）の幅ｏを精度良く測定することができない。

側壁角度ｍに対する測定感度を向上させるための方法として、図１２に示すように、実スペクトルの全波長領域において、理論スペクトルの波長分割数を増加させる方法が考えられる。しかしながら、この方法では、レジスト層８の下地層（Ｓｉ基板１〜下層レジスト層７）が積層構造であるために、測定モデルの可変パラメータが多く、波形フィッティングの際に構築される、ライブラリと呼ばれる理論スペクトルのデータベースのサイズが計算処理可能な上限値を超えて、測定パターンの構造を計算することができないことがある。このため、単純に波長分割数を多くすることができない。

そこで、図１３に示すように、光ビームの全波長領域のうち、レジスト層８に対して感度の有する波長領域（例えば、短波長領域２５０ｎｍ〜５００ｎｍ）であるレジスト感度波長領域以外の波長領域（例えば、長波長領域５００ｎｍ〜７５０ｎｍ）をカットし、そのレジスト感度波長領域内の波長分割数を増加させる方法が考えられる。

上記の方法では、ライブラリサイズの増大を抑えることができる。しかしながら、この方法では、下地層の各層（以下、下地各層と称する）の膜厚に対して感度を有する波長領域（主に長波長領域）がカットされるため、下地各層の膜厚の測定精度が低下する。このため、下地各層の膜厚の測定エラー成分がレジストリパターンの測定値に影響を与え、レジストパターンの測定精度の低下を招く要因となる。

以上のことを鑑みて、本実施形態では、波形フィッティングを複数ステップ行うことで測定パターンの構造を計算するスキャトロメトリ法およびパターン測定装置を提案する。

本パターン測定装置では、制御部２０５は、ディテクターアレイ２０４Ｂにて検出された実スペクトルと、測定モデルから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを、その実スペクトル内の複数の波長領域のそれぞれについて行い、測定パターン３０１の構造を示す可変パラメータを測定する。このとき、制御部２０５は、各波形フィッティングのうちの所定の波形フィッティングで測定された部位の構造を用いて、他の波形フィッティングを行う。

また、各波形フィッティングにおいて、制御部２０５は、測定パターン内のそれぞれ異なる部位の構造を測定する。このため、各波形フィッティングにおける波長領域は、その波形フィッティングにて構造が測定される部位に応じて定められる。より具体的には、各波形フィッティングにおける波長領域は、その波形フィッティングにて測定される部位の構造に対して感度のある波長領域を含むように定められる。

さらに、各波形フィッティングで使用される理論スペクトルの波長分割数は、その波形フィッティングにて構造が測定される部位に応じて定められる。より具体的には、波形フィッティングにて測定される部位の構造に対する測定感度が低いほど、その波形フィッティングにおける波長分割数を多くする。

以下では、具体例として、波形フィッティングが２回連続して行われる場合について説明する。

図１４に示すように、第１ステップでは、制御部２０５は、実スペクトルの全波長領域について波形フィッティングを行うことで、下地各層の膜厚を算出する。そして第２ステップでは、制御部２０５は、実スペクトルの全波長領域のうち、レジスト層８の構造に対して測定感度の高いレジスト感度波長領域（短波長領域２５０ｎｍ〜５００ｎｍ）以外の波長領域（長波長領域５００ｎｍ〜７５０ｎｍ）をカットし、理論スペクトルにおけるレジスト感度波長領域内の波長分割数を増加させる。このとき、第２ステップでは、測定モデルの下地各層の膜厚に対応する可変パラメータが、第１ステップで算出された下地各層の膜厚値に固定され、その後、波形フッティングが行われる。これにより、可変パラメータを全て算出することができるので、ワード線の構造を測定することができる。

以上説明したように本実施形態によれば、実スペクトルと理論スペクトルとの波形フィッティングが複数の波長領域のそれぞれについて行われるので、測定感度の低い部位に応じた波長領域内の波長分割数のみを多くするだけで、パターンの構造を精度良く測定することが可能になる。したがって、ライブラリのサイズを計算処理可能な上限値より小さくしつつ、パターンの構造を精度良く測定することが可能になる。

このように本実施形態によるパターン測定装置は、光ビームを測定パターン（３０１）に照射する光源（２０１）と、光ビームの測定パターン（３０１）による反射回折光のスペクトルである実スペクトルを検出するスペクトル測定部（２０４）と、実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを、その実スペクトル内の複数の波長領域のそれぞれについて行い、測定パターンの構造を測定する制御部（２０５）とを有して構成される。

また、制御部（２０５）は、各波形フィッティングにおいて、測定パターン（３０１）内のそれぞれ異なる部位の構造を測定する。

また、各波形フィッティングを行う波長領域は、その波形フィッティングにて構造が測定される部位に応じて定められる。

また、各波形フィッティングで使用される理論スペクトルのサンプリング点数は、その波形フィッティングにて構造が測定される部位に応じて定められる。

また、制御部（２０５）は、各波形フィッティングのうちの所定の波形フィッティングで測定された部位の構造を用いて、他の波形フィッティングを行う。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。

本実施形態では、波形フィッティングが２回連続して行われる場合について、各波形フィッティングにおける波長領域の別の例を説明する。

図１５に示すように、第１ステップでは、制御部２０５は、下地各層の膜厚に対して測定感度の高い波長領域（具体的には、長波長領域５００ｎｍ〜７５０ｎｍ）のみを使用して波形フィッティングを行い、下地各層の膜厚を求める。そして、第２ステップでは、制御部２０５は、第１の実施形態と同様に、レジスト感度波長領域のみを使用して波形フィッティングを行う、レジスト層８の構造（膜厚、中央部の幅、側壁角度）を求める。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、実スペクトルと理論スペクトルとの波形フィッティングが複数の波長領域のそれぞれについて行われるので、測定感度の低い部位に応じた波長領域内の波長分割数のみを多くするだけで、パターンの構造を精度良く測定することが可能になる。したがって、ライブラリのサイズを計算処理可能な上限値より小さくしつつ、パターンの構造を精度良く測定することが可能になる。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

１、１０１Ｓｉ基板
２、１０２ＳｉＯ層
３、１０３ＤＯＰＯＳ層
４、１０４Ｗ／ＷＮ／ＷＳｉ層
５、１０５Ｐ−ＳｉＮ層
６、１０６Ｐ−ＳｉＯ層
７、１０７下層レジスト層
８、１０８レジスト層
２０１光源
２０２偏光子
２０３検光子
２０４スペクトル測定部
２０４Ａ分光器
２０４Ｂディテクターアレイ
２０５制御部
３０１測定パターン
３０２光ビームのスポット

Claims

基板上に形成された測定パターンの構造を測定するパターン測定方法であって、
光ビームを前記測定パターンに照射し、
前記光ビームの前記測定パターンによる反射回折光のスペクトルである実スペクトルを検出し、
前記実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを、当該実スペクトル内の複数の波長領域のそれぞれについて行い、前記測定パターンの構造を測定する、パターン測定方法。
各波形フィッティングにおいて、前記測定パターン内のそれぞれ異なる部位の構造を測定する、請求項１に記載のパターン測定方法。
各波形フィッティングにおける波長領域は、当該波形フィッティングにて前記構造が測定される部位に応じて定められる、請求項２に記載のパターン測定方法。
各波形フィッティングで使用される理論スペクトルのサンプリング点数は、当該波形フィッティングにて前記構造が測定される部位に応じて定められる、請求項２または３に記載のパターン測定方法。
各波形フィッティングのうちの所定の波形フィッティングで測定された部位の構造を用いて、他の波形フィッティングを行う、請求項２ないし４のいずれか１項に記載のパターン測定方法。
基板上に形成された測定パターンの構造を測定するパターン測定装置であって、
光ビームを前記測定パターンに照射する光源と、
前記光ビームの前記測定パターンによる反射回折光のスペクトルである実スペクトルを検出するスペクトル測定部と、
前記実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを、当該実スペクトル内の複数の波長領域のそれぞれについて行い、前記測定パターンの構造を測定する制御部と、を有するパターン測定装置。
前記制御部は、各波形フィッティングにおいて、前記測定パターン内のそれぞれ異なる部位の構造を測定する、請求項６に記載のパターン測定装置。
各波形フィッティングにおける波長領域は、当該波形フィッティングにて前記構造が測定される部位に応じて定められる、請求項７に記載のパターン測定装置。
各波形フィッティングで使用される理論スペクトルのサンプリング点数は、当該波形フィッティングにて前記構造が測定される部位に応じて定められる、請求項７または８に記載のパターン測定装置。
前記制御部は、各波形フィッティングのうちの所定の波形フィッティングで測定された部位の構造を用いて、他の波形フィッティングを行う、請求項７ないし９のいずれか１項に記載のパターン測定装置。