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JP2012018097A - Pattern measurement method and pattern measurement device - Google Patents

Pattern measurement method and pattern measurement device Download PDF

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JP2012018097A
JP2012018097A JP2010156161A JP2010156161A JP2012018097A JP 2012018097 A JP2012018097 A JP 2012018097A JP 2010156161 A JP2010156161 A JP 2010156161A JP 2010156161 A JP2010156161 A JP 2010156161A JP 2012018097 A JP2012018097 A JP 2012018097A
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JP
Japan
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pattern
measurement
spectrum
waveform fitting
measured
Prior art date
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Application number
JP2010156161A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuatsu Takasaki
千温 高崎
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Micron Memory Japan Ltd
Original Assignee
Elpida Memory Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem in which a measurement pattern structure sometimes cannot be measured accurately because some part of the structure cannot be measured with sufficient measurement sensitivity when the measurement pattern structure having a thin resist is measured using the scatterometry method.SOLUTION: A right source 201 irradiates a measurement pattern 301 with a light beam. A spectrum measurement part 204 detects an actual spectrum that is a spectrum of a reflected diffraction light of the light beam by means of the measurement pattern 301. A control part 205 performs waveform fitting between the actual spectrum and a theoretical spectrum calculated from a preliminarily prepared model pattern for each of a plurality of wavelength areas within the actual spectrum, and measures a measurement pattern structure.

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。   The present invention relates to a pattern measuring method and a pattern measuring apparatus for measuring the structure of a measurement pattern formed on a substrate using a scatterometry (light wave scattering measurement) method.

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。   In recent years, ArF (argon fluoride) resist is often used as a mask material for processing a fine pattern such as a gate wiring in a semiconductor device. However, the ArF resist has a problem that the damage resistance against the electron beam is low. For this reason, secondary electron emission type measurement devices such as CDSEM (Critical Dimension-Scanning Electron Microscope) are used in semiconductor device manufacturing processes to measure the structure (dimensions and shape) of patterns including registry patterns. Then, the incident position of the electron beam in the ArF resist may be reduced, resulting in a measurement error.

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)。   On the other hand, the scatterometry method, which is an optical pattern measurement method that does not cause electron damage to the resist, has attracted attention (see Patent Documents 1 and 2).

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。   In the scatterometry method, generally, a measurement beam, which is a measurement target pattern, is irradiated with a light beam, and is calculated from an actual spectrum that is a spectrum of reflected diffracted light from the measurement pattern and a model pattern prepared in advance. The structure of the measurement pattern is measured by performing waveform fitting with the theoretical spectrum. Here, waveform fitting refers to comparing the actual spectrum with the theoretical spectrum while changing the variable parameter of the measurement model, and calculating the variable parameter when the actual spectrum matches the theoretical spectrum with the highest accuracy by numerical calculation. It is.

特表2004-513509号公報Special table 2004-513509 gazette 特開2006-226994号公報JP 2006-226994 A

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。   In recent years, miniaturization of nodes in semiconductor devices has progressed, and accordingly, miniaturization of resist masks has progressed. At this time, the resist may need to be thinned due to the resolution limit of lithography.

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。   When the structure of a measurement pattern having a thin resist is measured by a scatterometry method, there may be a portion where the structure cannot be measured with sufficient measurement sensitivity, and the structure of the measurement pattern may not be accurately measured.

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。   As a method for improving the measurement accuracy of the structure of the measurement pattern, there is a method of increasing the number of wavelength divisions that is the number of sampling points of the theoretical spectrum. However, if the number of wavelength divisions is increased, the size of the database of theoretical spectra called a library that is constructed during waveform fitting exceeds the upper limit that can be calculated, and the structure of the measurement pattern cannot be calculated. is there.

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。   The pattern measurement method according to the present invention is a pattern measurement method for measuring the structure of a measurement pattern formed on a substrate, irradiating the measurement pattern with a light beam, and reflecting reflected diffracted light by the measurement pattern of the light beam. An actual spectrum that is a spectrum is detected, and waveform fitting between the actual spectrum and a theoretical spectrum calculated from a model pattern prepared in advance is performed for each of a plurality of wavelength regions in the actual spectrum, and Measure the structure.

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。   A pattern measuring apparatus according to the present invention is a pattern measuring apparatus for measuring a structure of a measurement pattern formed on a substrate, and a light source for irradiating the measurement pattern with a light beam, and reflection diffraction of the light beam by the measurement pattern A spectrum measurement unit that detects a real spectrum that is a spectrum of light, and a waveform fitting between the real spectrum and a theoretical spectrum calculated from a model pattern prepared in advance for each of a plurality of wavelength regions in the real spectrum. And a controller that measures the structure of the measurement pattern.

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。   According to the present invention, since the waveform fitting between the actual spectrum and the theoretical spectrum is performed for each of the plurality of wavelength regions, it is possible to increase the pattern only by increasing the number of wavelength divisions in the wavelength region corresponding to the region having low measurement sensitivity. It is possible to accurately measure the structure of Therefore, it is possible to accurately measure the structure of the pattern while making the size of the library smaller than the upper limit that can be calculated.

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。It is a figure which shows the structural example of the word line after application | coating of resist, exposure, and image development. 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。It is a figure which shows the structural example of the word line after the dry etching of a lower resist layer. 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。It is a figure which shows the structural example of the word line after the dry etching of a P-SiN layer and a P-SiO layer. 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。It is a figure which shows the structural example of the word line after plasma ashing. 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。It is a figure which shows the structural example of the word line after the dry etching of W / WN / WSi. 保護膜の成膜後のワード線の構造例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the word line after film-forming of a protective film. 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。It is a figure which shows the structural example of the word line after the dry etching of a DOPOS layer. パターン測定装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a pattern measuring apparatus. 測定モデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a measurement model. 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。It is a figure for demonstrating an example of the waveform fitting which uses all the wavelength ranges. 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。It is a figure which shows an example of the measurement site | part in the resist layer by a scatterometry method. 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。It is a figure for demonstrating an example of the waveform fitting which used all the wavelength ranges and increased the number of wavelength divisions. 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。It is a figure which shows the example of the waveform fitting which used the short wavelength area | region and increased the number of wavelength divisions. 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。It is a figure for demonstrating an example of the scatterometry method which performs a waveform fitting twice. 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。It is a figure for demonstrating the other example of the scatterometry method which performs a waveform fitting twice.

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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, components having the same function may be denoted by the same reference numerals and description thereof may be omitted.

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。   Hereinafter, as a first embodiment of the present invention, a pattern measurement method for measuring the structure of a measurement pattern formed on a substrate using a scatterometry method will be described.

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。   FIG. 1 is a diagram showing a vertical structure of a measurement pattern whose structure is measured by the pattern measurement method of the present embodiment.

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。   The measurement pattern shown in FIG. 1 is a word line after the application, exposure and development of a bi-layer resist for etching the hard mask. In FIG. 1, on a Si substrate 1, an SiO layer 2, a DOPOS (doped doped silicon) layer 3, a W / WN / WSi layer 4, a P-SiN layer 5, a P-SiO layer 6, a lower resist layer 7, a resist (PR: Photo Resist) layer 8 is laminated in order from the bottom. The W / WN / WSi layer 4 is a stacked structure of a W layer, a WN layer, and a WSi layer. The resist layer 8 is a thin film made of ArF.

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。   Here, the word line is formed of the DOPOS layer 3 and the W / WN / WSi layer 4. However, in the following, in addition to the SiO layer 2, the DOPOS layer 3, and the W / WN / WSi layer 4, the word including the P-SiN layer 5, the P-SiO layer 6, the lower resist layer 7 and the resist layer 8 is used as a word. Called a line. The word line shown in FIG. 1 is used as a PolyMetal-Gate electrode.

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。   The dimensions (film thickness) of each layer are as follows: Si0 layer 2 “6 nm”, DOPOS layer 3 “80 nm”, W / WN / WSi layer 4 “70 nm”, P—SiN layer 5 “140 nm”, and P—SiO layer 6 “80 nm”. ”, Lower resist layer 7“ 300 nm ”, and resist layer 8“ 80 nm ”. In the W / WN / WSi layer 4, the W layer is “55 nm”, the WN layer is “10 nm”, and the WSi layer is “5 nm”.

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。   The word line forming process will be described below with reference to FIGS.

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。   First, as shown in FIG. 2, the lower resist layer 7 is processed by dry etching using the resist layer 8 as a mask for the word line shown in FIG. Subsequently, as shown in FIG. 3, the P—SiN layer 5 and the P—SiO layer 6 are processed by dry etching using the lower resist layer 7 as a mask. Further, as shown in FIG. 4, the lower resist layer 7 is removed by plasma ashing and removed. Thereafter, as shown in FIG. 5, the W / WN / WSi layer 4 is processed by a dry etching method using the P—SiN layer 5 and the P—SiO layer 6 as a mask. At this time, the surface layer of the DOPOS layer 3 is etched by about 10 nm. Next, as shown in FIG. 6, a protective film 9 made of SiN is formed on the surface of the word line. The thickness of the protective film 9 is 14 nm. Then, as shown in FIG. 7, the DOPOS layer 3 is processed by a dry etching method.

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。   In the above word line formation process, the structure measurement of the word line shown in FIG. 1 is important in controlling the final dimension of the word line. If a secondary electron emission type measuring device is used for this structure measurement, the resist layer 8 at the incident site of the electron beam may be reduced, resulting in a measurement error and a word line defect. Therefore, in the following, a scatterometry method that is an optical pattern measurement method that does not cause electron damage to the resist layer 8 will be considered.

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。   FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a pattern measurement apparatus that measures the structure of a measurement pattern using the present scatterometry method. In FIG. 8, the pattern measurement apparatus includes a light source 201, a polarizer 202, an analyzer 203, a spectrum measurement unit 204, and a control unit 205. The spectrum measuring unit 204 includes a spectroscope 204A and a detector array 204B.

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。   Note that the measurement pattern 301 that is a measurement target of the pattern measurement apparatus is a measurement-dedicated pattern (50 um mouth) having no pattern in each underlying layer on the scribe. However, the measurement pattern 301 is not limited to such a measurement-specific pattern.

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。   The light source 201 irradiates the measurement pattern 301 with a light beam via the polarizer 202. Note that the entire wavelength region of the light beam is determined in advance. For example, an Xe lamp can be used as the light source 201. In this case, the entire wavelength region of the light beam is about 250 to 750 nm. The light beam spot 302 on the measurement pattern is, for example, 30 μm.

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。   The catadioptric light of the light beam irradiated onto the measurement pattern 301 by the measurement pattern 301 is incident on the spectroscope 204A via the analyzer 203.

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。   The spectroscope 204A splits the incident catadioptric light and emits it to the detector array 204B. The detector array 204B detects the actual spectrum that is the spectrum of the catadioptric light by detecting the light intensity of each spectroscopic light from the spectroscope 204A. Thereby, the spectrum measuring unit 204 having the spectroscope 204A and the detector array 204B detects an actual spectrum that is a spectrum of catadioptric light by the measurement pattern 301 of the light beam emitted from the light source 201. The detector array 204B can be constituted by, for example, a CCD (Charge Coupled Device) image sensor.

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。   The control unit 205 causes the light source 201 to irradiate the measurement pattern 301 with a light beam. Then, the control unit 205 measures the structure of the measurement pattern from the actual spectrum detected by the spectrum measurement unit 204.

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。   Hereinafter, prior to describing a measurement pattern measurement method by the control unit 205, a conventional scatterometry method will be described in order to facilitate understanding of the present invention.

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。   In the conventional scatterometry method, as described above, the structure of the measurement pattern is numerically calculated by performing waveform fitting between a real spectrum and a theoretical spectrum calculated from a measurement model prepared in advance. Here, waveform fitting refers to comparing the actual spectrum with the theoretical spectrum while changing the variable parameter of the measurement model, and calculating the variable parameter when the actual spectrum matches the theoretical spectrum with the highest accuracy by numerical calculation. It is.

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。   When the measurement pattern is the word line shown in FIG. 1, for example, the measurement model shown in FIG. 8 is used as the measurement model. 9, in the measurement model, the Si substrate 101, the SiO layer 102, the DOPOS layer 103, the W / WN / WSi layer 104, the P-SiN layer 105, the P-SiO layer 106, the lower resist layer 107, and the resist layer 108 are below. Are stacked in order.

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。   In the measurement model shown in FIG. 9, the film thicknesses of the P—SiN layer 105, the P—SiO layer 106, the lower resist layer 107, and the resist layer 108, and the center of the resist layer 108 in the vertical direction indicated by the arrows in the figure. The width of the portion and the side wall angle of the resist layer 108 are variable parameters.

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。   In the conventional scatterometry method, the waveform fitting between the actual spectrum S1 of the reflected diffracted light from the word line shown in FIG. 1 and the theoretical spectrum S2 calculated from the measurement model shown in FIG. This is performed only once for the region, and a theoretical spectrum (variable parameter) is calculated by numerical calculation as shown in FIG.

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。   In FIG. 10, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the light intensity. The solid line shows the real spectrum. Circles indicate the number of wavelength divisions that are sampling points of the theoretical spectrum, and the number of circles is the number of sampling points of the theoretical spectrum. The actual spectrum differs depending on the deflection direction of the light beam applied to the word line. FIG. 10 shows the actual spectrum S1 and the theoretical spectrum S2 for two different deflection directions α and β.

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。   In the scatterometry method described above, an arbitrary portion of the word line cannot be measured with the same degree of measurement sensitivity. Due to the fact that the resist layer 8 is a thin film, there are portions with high and low measurement sensitivity. Arise. For example, as shown in FIG. 11, the measurement sensitivity with respect to the width L of the middle portion (middle portion) in the vertical direction of the resist layer 8 is high, but the measurement sensitivity with respect to the sidewall angle m of the resist layer 8 is low. For this reason, when the number of wavelength divisions of the theoretical spectrum is about the same as when the resist layer 8 is not a thin film, the error of the side wall angle m becomes large, and the width n and the upper bottom portion (bottom portion) of the lower bottom portion (Bottom portion) ( The width o of the (Top part) cannot be measured with high accuracy.

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。   As a method for improving the measurement sensitivity with respect to the sidewall angle m, a method of increasing the number of wavelength divisions of the theoretical spectrum in the entire wavelength region of the actual spectrum as shown in FIG. However, in this method, since the base layer (Si substrate 1 to lower resist layer 7) of the resist layer 8 has a laminated structure, there are many variable parameters of the measurement model, and this is called a library that is constructed during waveform fitting. In some cases, the structure of the measurement pattern cannot be calculated because the size of the theoretical spectrum database exceeds the upper limit that can be calculated. For this reason, the number of wavelength divisions cannot simply be increased.

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。   Therefore, as shown in FIG. 13, a wavelength region other than the resist sensitivity wavelength region which is a wavelength region having sensitivity to the resist layer 8 (for example, the short wavelength region 250 nm to 500 nm) among all the wavelength regions of the light beam ( For example, a method of cutting a long wavelength region (500 nm to 750 nm) and increasing the number of wavelength divisions in the resist sensitivity wavelength region is conceivable.

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。   In the above method, an increase in library size can be suppressed. However, this method cuts the wavelength region (mainly the long wavelength region) that is sensitive to the thickness of each layer of the underlayer (hereinafter referred to as each underlayer), so the measurement accuracy of the thickness of each underlayer Decreases. For this reason, the measurement error component of the film thickness of each underlying layer affects the measured value of the registry pattern, which causes a decrease in the measurement accuracy of the resist pattern.

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。   In view of the above, this embodiment proposes a scatterometry method and a pattern measurement apparatus that calculate the structure of a measurement pattern by performing waveform fitting in a plurality of steps.

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。   In this pattern measurement apparatus, the control unit 205 performs waveform fitting between the actual spectrum detected by the detector array 204B and the theoretical spectrum calculated from the measurement model for each of a plurality of wavelength regions in the actual spectrum, A variable parameter indicating the structure of the measurement pattern 301 is measured. At this time, the control unit 205 performs another waveform fitting using the structure of the part measured by the predetermined waveform fitting among the waveform fittings.

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。   In each waveform fitting, the control unit 205 measures the structure of each different part in the measurement pattern. For this reason, the wavelength region in each waveform fitting is determined according to the part whose structure is measured by the waveform fitting. More specifically, the wavelength region in each waveform fitting is determined so as to include a wavelength region sensitive to the structure of the part measured by the waveform fitting.

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。   Furthermore, the number of wavelength divisions of the theoretical spectrum used in each waveform fitting is determined according to the site where the structure is measured by the waveform fitting. More specifically, the lower the measurement sensitivity for the structure of the part measured by waveform fitting, the greater the number of wavelength divisions in the waveform fitting.

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。   Below, the case where waveform fitting is performed twice continuously as a specific example is demonstrated.

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。   As shown in FIG. 14, in the first step, the control unit 205 calculates the film thickness of each underlying layer by performing waveform fitting for the entire wavelength region of the actual spectrum. In the second step, the control unit 205 includes a wavelength region (long) other than the resist sensitivity wavelength region (short wavelength region 250 nm to 500 nm) having high measurement sensitivity with respect to the structure of the resist layer 8 out of the entire wavelength region of the actual spectrum. The wavelength region 500 nm to 750 nm) is cut, and the number of wavelength divisions in the resist sensitivity wavelength region in the theoretical spectrum is increased. At this time, in the second step, the variable parameter corresponding to the film thickness of each base layer of the measurement model is fixed to the film thickness value of each base layer calculated in the first step, and then waveform footing is performed. Thereby, all the variable parameters can be calculated, so that the structure of the word line can be measured.

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。   As described above, according to the present embodiment, since the waveform fitting between the actual spectrum and the theoretical spectrum is performed for each of the plurality of wavelength regions, only the number of wavelength divisions in the wavelength region corresponding to the region having low measurement sensitivity is obtained. It is possible to accurately measure the structure of the pattern simply by increasing the number. Therefore, it is possible to accurately measure the structure of the pattern while making the size of the library smaller than the upper limit that can be calculated.

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。   As described above, the pattern measurement apparatus according to the present embodiment detects a light source (201) that irradiates a measurement pattern (301) with a light beam and an actual spectrum that is a spectrum of reflected diffracted light by the measurement pattern (301) of the light beam. Waveform fitting between the spectrum measurement unit (204), the actual spectrum, and a theoretical spectrum calculated from a model pattern prepared in advance is performed for each of a plurality of wavelength regions in the actual spectrum, and the structure of the measurement pattern is measured. And a control unit (205).

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。   In addition, the control unit (205) measures the structures of different parts in the measurement pattern (301) in each waveform fitting.

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。   In addition, the wavelength region where each waveform fitting is performed is determined according to the part whose structure is measured by the waveform fitting.

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。   In addition, the number of sampling points of the theoretical spectrum used in each waveform fitting is determined according to the part whose structure is measured by the waveform fitting.

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。   Further, the control unit (205) performs another waveform fitting using the structure of the part measured by the predetermined waveform fitting among the waveform fittings.

次に本発明の第2の実施形態について説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described.

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。   In the present embodiment, another example of the wavelength region in each waveform fitting will be described in the case where the waveform fitting is performed twice in succession.

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。   As shown in FIG. 15, in the first step, the control unit 205 uses only a wavelength region (specifically, a long wavelength region 500 nm to 750 nm) having high measurement sensitivity with respect to the film thickness of each underlying layer. Fitting is performed to determine the film thickness of each underlying layer. In the second step, similarly to the first embodiment, the control unit 205 performs the waveform fitting using only the resist sensitivity wavelength region, and the structure of the resist layer 8 (film thickness, width of the central portion, side wall) Angle).

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。   Also in this embodiment, as in the first embodiment, the waveform fitting between the actual spectrum and the theoretical spectrum is performed for each of the plurality of wavelength regions, so that the number of wavelength divisions in the wavelength region corresponding to the region with low measurement sensitivity It becomes possible to measure the structure of the pattern with high accuracy only by increasing the number. Therefore, it is possible to accurately measure the structure of the pattern while making the size of the library smaller than the upper limit that can be calculated.

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。   In each embodiment described above, the illustrated configuration is merely an example, and the present invention is not limited to the configuration.

1、101 Si基板
2、102 SiO層
3、103 DOPOS層
4、104 W/WN/WSi層
5、105 P−SiN層
6、106 P−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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Si substrate 2,102 SiO layer 3,103 DOPOS layer 4,104 W / WN / WSi layer 5,105 P-SiN layer 6,106 P-SiO layer 7,107 Lower resist layer 8,108 Resist layer 201 Light source 202 Polarizer 203 Analyzer 204 Spectrum measurement unit 204A Spectrometer 204B Detector array 205 Control unit 301 Measurement pattern 302 Light beam spot

Claims (10)

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。
A pattern measurement method for measuring a structure of a measurement pattern formed on a substrate,
Irradiating the measurement pattern with a light beam,
Detecting a real spectrum which is a spectrum of reflected diffracted light by the measurement pattern of the light beam;
A pattern measurement method, wherein waveform fitting between the actual spectrum and a theoretical spectrum calculated from a model pattern prepared in advance is performed for each of a plurality of wavelength regions in the actual spectrum, and the structure of the measurement pattern is measured.
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。   The pattern measurement method according to claim 1, wherein in each waveform fitting, a structure of each different part in the measurement pattern is measured. 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。   The pattern measurement method according to claim 2, wherein a wavelength region in each waveform fitting is determined according to a site where the structure is measured by the waveform fitting. 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。   The pattern measurement method according to claim 2 or 3, wherein the number of sampling points of the theoretical spectrum used in each waveform fitting is determined according to a site where the structure is measured by the waveform fitting. 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。   The pattern measurement method according to claim 2, wherein another waveform fitting is performed using a structure of a part measured by a predetermined waveform fitting among the waveform fittings. 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。
A pattern measuring device for measuring the structure of a measurement pattern formed on a substrate,
A light source for irradiating the measurement pattern with a light beam;
A spectrum measuring unit that detects a real spectrum that is a spectrum of reflected diffracted light according to the measurement pattern of the light beam;
A controller that performs waveform fitting between the actual spectrum and a theoretical spectrum calculated from a model pattern prepared in advance for each of a plurality of wavelength regions in the actual spectrum, and measures the structure of the measurement pattern; A pattern measuring device.
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。   The pattern measurement apparatus according to claim 6, wherein the control unit measures the structure of each different part in the measurement pattern in each waveform fitting. 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。   The pattern measurement apparatus according to claim 7, wherein a wavelength region in each waveform fitting is determined according to a site where the structure is measured by the waveform fitting. 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。   The pattern measurement apparatus according to claim 7 or 8, wherein the number of sampling points of the theoretical spectrum used in each waveform fitting is determined according to a site where the structure is measured by the waveform fitting. 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。   The pattern measurement apparatus according to claim 7, wherein the control unit performs another waveform fitting using a structure of a part measured by a predetermined waveform fitting among the waveform fittings.
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