(57)【要約】【課題】下地パターンの影響を受けずに、上地パターン（被測定パターン）の構造を測定すること。【解決手段】基板に下地パターンと上地パターンとを有する実セルにおける、上地パターンである被測定パターンの構造を測定するパターン測定方法は、実セルのパターンの測定結果である実スペクトル波形を検出し、下地パターンのないダミーパターンの測定結果であるダミースペクトル波形を検出し、実スペクトル波形とダミースペクトル波形とを比較照合し、実スペクトル波形とダミースペクトル波形とが重なる共通部分の波長帯に対してのみ、理論スペクトルの波長分割数を割り当てるように測定モデルを作成し、測定モデルから導かれる理論スペクトルと実セルのスペクトルの波形フィッティングによる数値計算を行い、その数値計算結果に基づいて、被測定パターンの構造を求める。【選択図】図５Ｅ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に下地パターンと上地パターンとを有する実セルにおける、前記上地パターンである被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、
前記実セルのパターンの測定結果である実スペクトル波形を検出し、
前記下地パターンのないダミーパターンの測定結果であるダミースペクトル波形を検出し、
前記実スペクトル波形と前記ダミースペクトル波形とを比較照合し、
前記実スペクトル波形と前記ダミースペクトル波形とが重なる共通部分の波長帯に対してのみ、理論スペクトルの波長分割数を割り当てるように測定モデルを作成し、
前記測定モデルから導かれる理論スペクトルと前記実セルのスペクトルの波形フィッティングによる数値計算を行い、
該数値計算結果に基づいて、前記被測定パターンの構造を求める、
パターン測定方法。
【請求項２】
前記上地パターンが、ダブルパターンプロセスで形成されたＭＬＤパターンからなる、請求項１に記載のパターン測定方法。
【請求項３】
前記下地パターンが、ＳＴＩ法により形成された素子分離領域を含む、請求項１又は２に記載のパターン測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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被測定パターンの構造を測定するパターン測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を製造する場合、基板上に微細なパターンを形成することが必要となる。半導体装置の製造工程において、基板上に微細な繰り返しパターンを形成する場合、サイドウォール型のダブルパターニング法（ダブルパターニングプロセス）が使用されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
ここで、ダブルパターニング法（ダブルパターニングプロセス）とは、パターニングを２回以上行ってパターンを形成する方法である。サイドウォール型のダブルパターニング法（ダブルパターニングプロセス）では、サイドウォールを利用して、パターンを形成する。
【０００４】
このようなサイドウォール型のダブルパターニング法（ダブルパターニングプロセス）を用いて、基板上に微細な繰り返しパターンを形成した後、電子ビームによる超微細寸法測定装置であるＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）でパターンの寸法を計測することが行われる。そして、計測した寸法結果から寸法補正のためにフィードバックを行う。
【０００５】
尚、ＣＤ−ＳＥＭの原理は、電子銃から放出される１次電子を測定試料に照射し、試料から放出される２次電子を検出器で捉え、得られた強度分布から対象パターンの寸法を計測する方法である。
【０００６】
一方、半導体装置としてＤＲＡＭ（dynamic ransom access memory）メモリセルを製造する場合においても、微細化に伴い、ワードトレンチを形成するためにダブルパターニングプロセスが使用されている。
【０００７】
このようなＤＲＡＭメモリセルを製造する場合、半導体基板に周知のＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法により素子分離領域を形成し、半導体基板上にパッド酸化膜（マット酸化膜）、マスク窒化膜の順に成膜した後に、ダブルパターニング法でＭＬＤ（Molecular Layer Deposition）膜をワードトレンチのマスクパターン（ＭＬＤパターン）に形成している。このとき、ＭＬＤパターンがダブルパターニングプロセスで形成されるため、ＭＬＤパターンの片側の側面がサイドエッチ形状（凹形状）を有する。
【０００８】
そのため、ＣＤ−ＳＥＭでは十分に管理できないので、光学式・形状測定器であるスキャトロメトリによる実セルモニターが検討されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
この特許文献３に開示されたパターン測定方法は、光ビームを基板上に形成された被測定パターンに照射し、光ビームの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、この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、被測定パターンの構造を測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−５３５４７号公報（段落［０１５１］、図１）
【特許文献２】特開２０１１−１０７５９６号公報（図１〜図４）
【特許文献３】特開２０１２−０１８０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したＤＲＡＭメモリセルのような半導体装置においては、ＳＴＩ法により形成された素子分離領域が下地パターンとして形成され、ＭＬＤパターンのようなパターンが上地パターン（被測定パターン）として形成されることになる。
【００１２】
実セル測定の場合、特許文献３に開示されたパターン測定方法では、測定モデルを上地パターンだけでなく下地パターンをも含めた全パラメータに対し、感度、相関、確度などを全波長領域において解析して作成する。
【００１３】
その結果、下地パターンの影響を受けるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によるパターン測定方法は、基板に下地パターンと上地パターンとを有する実セルにおける、上地パターンである被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、実セルのパターンの測定結果である実スペクトル波形を検出し、下地パターンのないダミーパターンの測定結果であるダミースペクトル波形を検出し、実スペクトル波形とダミースペクトル波形とを比較照合し、実スペクトル波形とダミースペクトル波形とが重なる共通部分の波長帯に対してのみ、理論スペクトルの波長分割数を割り当てるように測定モデルを作成し、測定モデルから導かれる理論スペクトルと実セルのスペクトルの波形フィッティングによる数値計算を行い、この数値計算結果に基づいて、被測定パターンの構造を求める。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、下地パターンの影響を受けずに、上地パターン（被測定パターン）の構造を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本発明のパターン測定方法の対象となる半導体装置の製造途中の形状を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１の線Ａ−Ａ’についての断面図である。
【図２Ａ】光学式寸法・形状測定器であるスキャトロメトリを説明するための理論形状を示す断面図である。
【図２Ｂ】光学式寸法・形状測定器であるスキャトロメトリを説明するための実形状を示す断面図である。
【図２Ｃ】光学式寸法・形状測定器であるスキャトロメトリを説明するための、理想形状に対する理論スペクトルと実形状に対する実スペクトルを示すグラフである。
【図３Ａ】ダブルパターニングを説明するためのダブルパターニングプロセスの第１の工程を示す断面図である。
【図３Ｂ】ダブルパターニングを説明するためのダブルパターニングプロセスの第２の工程を示す断面図である。
【図３Ｃ】ダブルパターニングを説明するためのダブルパターニングプロセスの第３の工程を示す断面図である。
【図３Ｄ】ダブルパターニングを説明するためのダブルパターニングプロセスの第４の工程を示す断面図である。
【図３Ｅ】ダブルパターニングを説明するためのダブルパターニングプロセスの第５の工程を示す断面図である。
【図３Ｆ】ダブルパターニングを説明するためのダブルパターニングプロセスの第６の工程を示す断面図である。
【図４Ａ】従来の技術の問題点を説明するための、実セルの断面図である。
【図４Ｂ】従来の技術の問題点を説明するための、理想パターンの断面図である。
【図４Ｃ】従来の技術の問題点を説明するための、実セルに対する実スペクトル、理想パターンに対する理想スペクトル、およびダミーパターンに対するダミースペクトルを示すグラフである。
【図５Ａ】本発明の一実施例に係るパターン測定方法を説明するための、実セルの断面図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施例に係るパターン測定方法を説明するための、ダミーパターンの断面図である。
【図５Ｃ】実セルに対する実スペクトルとダミーパターンに対するダミースペクトルとを示すグラフである。
【図５Ｄ】本発明の一実施例に係るパターン測定方法を説明するための、理想パターンの断面図である。
【図５Ｅ】本発明の一実施例に係るパターン測定方法を説明するための、実セルに対する実スペクトル、ダミーパターンに対するダミースペクトル、および理想パターンに対する理想スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
最初に、本発明の理解を容易にするために、本発明がなされるまでの経緯について説明する。
【００１８】
半導体装置の微細化に伴い、ワードトレンチを形成するためにダブルパターニングプロセスが使用されている。ワードトレンチのコア・ギャップ差は、ＤＰ１ＭＬＤ（Molecular Layer Deposition(分子層堆積)）エッチング時のＭＬＤパターンの寸法で決まる。
【００１９】
以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。また、ＸＹＺ座標系を設定し、各構成の配置を説明する。この座標系において、Ｚ方向は半導体基板の表面に垂直な方向であり、Ｘ方向は半導体基板の表面と水平な面においてＺ方向と直交する方向であって、Ｙ方向は半導体基板の表面と水平な面においてＸ方向と直交する方向である。このように、Ｘ方向とＹ方向とは、互いに直交している。また、Ｘ’方向は、Ｘ方向に対して斜めに傾いた方向である。
【００２０】
図１Ａおよび図１Ｂは、ＤＰ１ＭＬＤエッチング時の（本発明のパターン測定方法の対象となる）半導体装置の製造途中の形状を示す図である。図１Ａは、半導体装置の製造途中の形状を示す平面図であり、図１Ｂは、図１Ａの線Ａ−Ａ’についての断面図である。
【００２１】
図示の半導体装置の製造方法は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、半導体基板１にＸ方向に対して傾いたＸ’方向に延在する素子分離領域２を形成し、半導体基板１上にパッド酸化膜３ａ、マスク窒化膜３ｂの順に成膜した後に、ダブルパターニング法でＭＬＤ膜をワードトレンチのマスクパターン（ＭＬＤパターン）３ｃに形成する。
【００２２】
このとき、ＭＬＤパターン３ｃは、ダブルパターニングプロセスで形成されるため、片側の側面がサイドエッチ形状（凹面状）３ｃ’を有する。そのため、ＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）では十分に管理できないので、光学式寸法・形状測定器であるスキャトロメトリによる実セルモニターが検討されている。
【００２３】
次に、図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃを参照して、スキャトロメトリについて説明する。図２Ａは理論形状を示す断面図であり、図２Ｂは実形状を示す断面図である。図２Ｃは、理論形状に対する理論スペクトルと実形状に対する実スペクトルを示すグラフである。図２Ｃにおいて、横軸は波長λ（ｎｍ）を示し、縦軸はパワーを示す。
【００２４】
図２Ａに示すように、ある理論的な被測定物４に参照光６を照射したときに、理論的な被測定物４の形状に伴う反射光７が得られるものとして、その反射光４のスペクトルを理論的に計算する。図２Ｃのグラフには、この理論スペクトル計算点８が示されている。尚、わかりやすいように線でつないでいるが、実際には離散的な値である。
【００２５】
次に、図２Ｂに示すように、実際の被測定物５に参照光６を照射し、実際の被測定物５の形状に伴う反射光７を得る。図２Ｃのグラフに、その実スペクトル９も示されている。
【００２６】
この理論スペクトル計算点８と実スペクトル９との差が、実際の被測定物の形状と理論的な被測定物４の形状との差から生じるものとして計算し、実際の被測定物の形状（構造）を導き出す。
【００２７】
次に、図３Ａ〜図３Ｆを参照して、ワードトレンチ形成に使用されるダブルパターニングプロセスについて説明する。図３Ａ〜図３Ｆは、ダブルパターニングプロセスの工程を、順を追って示す図である。
【００２８】
先ず、図３Ａに示すように、半導体基板１に、周知のＳＴＩ（Sallow Trench Isolation）法により、酸化シリコン膜からなる絶縁膜で埋設された素子分離領域２を形成する。
【００２９】
引き続いて、半導体基板１表面に、マット酸化膜（パッド酸化膜）３ａ、マスク窒化膜３ｂ、第１のＢＡＲＣ（Bottom Anti-Reflection Coating）膜３ｅ、レジストＲの順に成膜・塗布し、リソグラフィにより、線幅Ｆ、線間３Ｆの繰り返しパターンをパターニングする。
【００３０】
次に、図３Ｂに示すように、ＢＡＲＣエッチングで第１のＢＡＲＣ膜３ｅのコアパターンを形成する。
【００３１】
次に、図３Ｃに示すように、半導体基板１全面に側面膜厚がピッチ幅の半分（１／２Ｐ）の厚さで、ＭＬＤ−ＣＶＤ（Molecular Layer Deposition-Chemical Vapor Deposition）膜３ｆを成膜する。
【００３２】
次に、図３Ｄに示すように、半導体基板１全面にＭＬＤ−ＣＤＶ膜３ｆの凹凸を埋設するように第２のＢＡＲＣ膜３ｇを塗布する。
【００３３】
次に、図３Ｅおよび図３Ｆに示すように、エッチバックで、第２のＢＡＲＣ膜３ｇ、水平面上のＭＬＤ−ＣＶＤ膜３ｆおよび第１のＢＡＲＣ膜３ｅをエッチングして、線幅Ｆ、線間Ｆのピッチで繰り返すＭＬＤパターン３ｃを形成する。
【００３４】
尚、図３Ｅは、エッチバックの途中の状態を示す。
【００３５】
次に、図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃを参照して、スキャトロメトリでパターンｏｎパターン形状を測定する場合、すなわち、ＤＰ１ＭＬＤエッチング時のＭＬＤパターン３ｃの寸法を測定する場合の、従来の技術の問題点について説明する。図４Ａは実セルの断面図であり、図４Ｂは理想パターンの断面図である。図４Ｃは、実セルに対する実スペクトル、理想パターンに対する理想スペクトル、およびダミーパターンに対するダミースペクトルを示すグラフである。図４Ｃにおいて、横軸は波長λ（ｎｍ）を示し、縦軸はパワーを示す。
【００３６】
図４Ｂに示す理想パターンは、半導体基板１上にマット酸化膜３ａ、マスク窒化膜３ｂの順に成膜した後に、理想的なＭＬＤパターン（以下、「理想パターン」とも呼ぶ）３ｄをワードトレンチのマスクパターンに形成したものである。
【００３７】
先ず、この理想パターン３ｄの理論スペクトル計算点１２（以降、計算点１２）を全周波数領域で計算し、図４Ｃのグラフにプロットする。
【００３８】
次に、図４Ａに示す実セルの実スペクトル１０（以降、「実波形Ａ」と呼ぶ）を測定し、同じく図４Ｃのグラフにプロットする。このとき、反射光が素子分離領域２のＣＤ、深さ等のバラツキに影響されているため、実波形Ａはゆがんでいる。
【００３９】
下地パターンの影響を受けない場合のダミースペクトル１０’（以降、「ダミー波形Ａ’」と呼ぶ）も、同じく図４Ｃのグラフにプロットしている。
【００４０】
ダミー波形Ａ’と計算点１２との差から、ＭＬＤパターン３ｃの形状（構造）を計算すれば正しい形状が求まる。しかしながら、得られているのは実波形Ａであるため、素子分離領域２のＣＤ・深さなどのバラツキがＭＬＤパターン３ｃの測定精度の低下を招くこととなる。
【００４１】
また、計算点１２を全周波数領域で計算するため、測定用モデルの作成に時間がかかるとともに、素子分離領域２のＣＤ・深さなどのバラツキを考慮しなければならないため、素子分離領域２（下地パターン）の形状・ＣＤ・膜厚などが変わる毎にモデルの修正が必要となる可能性がある。
【００４２】
つまり、素子分離領域２を下地パターン、ＭＬＤパターン３ｃを被測定パターンである上地パターンとして一般化すれば、次の３つの問題が懸念される。
【００４３】
１）  下地パターン２のＣＤ・深さなどのバラツキが上地パターン３ｃの測定精度の低下を招く。 
２）  下地パターン２を含めて解析するため、測定用モデルの作成に時間を要する。 
３）  下地パターン２の形状・ＣＤ・膜厚などが変わる毎に、モデルの修正が必要となる可能性がある。
【実施例１】
【００４４】
次に、図５Ａ〜図５Ｅを用いて、本発明の一実施例に係るパターン測定方法ついて説明する。図５Ａは実セルの断面図である。図５Ｂはダミーパターンの断面図である。図５Ｃは、実セルに対する実スペクトルとダミーパターンに対するダミースペクトルとを示すグラフである。図５Ｄは理想パターンの断面図である。図５Ｅは、実セルに対する実スペクトル、ダミーパターンに対するダミースペクトル、および理想パターンに対する理想スペクトルを示すグラフである。図５Ｃおよび図５Ｅにおいて、横軸は波長λ（ｎｍ）を示し、縦軸はパワーを示す。
【００４５】
図５Ａに示す実セルは、半導体基板１上に素子分離領域２を形成し、マット酸化膜３ａ、マスク窒化膜３ｂの順に成膜した後に、ダブルパターニング法でＭＬＤ膜をワードトレンチのマスクパターン（ＭＬＤパターン）３ｃに形成したものである。
【００４６】
先ず、この図５Ａに示す実セル部分を測定し、図５Ｃのグラフに、実スペクトル１０（実波形Ａ）をプロットする。
【００４７】
図５Ｂに示すダミーパターンは、半導体基板１上の素子分離領域２の無い領域に、マット酸化膜３ａ、マスク窒化膜３ｂの順に成膜した後に、ダブルパターニング法でＭＬＤ膜をワードトレンチのマスクパターン（ＭＬＤパターン）３ｃに形成したものである。
【００４８】
次に、図５Ｂに示すダミーパターンを測定し、同じく図５Ｃのグラフにダミーパターンのダミースペクトル１１（以降、「ダミー波形Ｂ」と呼ぶ）をプロットする。
【００４９】
実波形Ａとダミー波形Ｂとを比較すると、実セルとダミーパターンのスペクトルの共通領域１３（以降、単に「共通領域１３」と呼ぶ）と、実セルとダミーパターンのスペクトルの非共通領域１４（以降、単に「非共通領域１４」と呼ぶ）とに分けられる。
【００５０】
非共通領域１４は、素子分離領域２の影響を受けていると考える事ができる。
【００５１】
したがって、本実施例では、実スペクトル波形（実波形Ａ）とダミースペクトル波形（ダミー波形Ｂ）とが重なる共通部分１３の波長帯に対してのみ、理論スペクトルの波長分割数を割り当てるように測定モデルを作成する。
【００５２】
図４Ｂと同様に、図５Ｄに示す理想パターンは、半導体基板１上にマット酸化膜３ａ、マスク窒化膜３ｂの順に成膜した後に、理想的なＭＬＤパターン（理想パターン）３ｄをワードトレンチのマスクパターンに形成したものである。
【００５３】
引き続いて、図５Ｄに示す理想パターン３ｄを想定し、上記共通領域１３に当たる周波数帯でのみスペクトルを理論的に計算し、図５Ｅのように、その理想パターンの理論スペクトル計算点１２（以降、単に「計算点１２」と呼ぶ）を、実波形Ａ及びダミー波形Ｂと同じグラフにプロットする。
【００５４】
このように、測定モデルから導かれる理論スペクトル（計算点１２）と実セルの実スペクトル１０（実波形Ａ）の波形フィッティングによる数値計算を行う。
【００５５】
次に、共通領域１３の範囲での実波形Ａと計算点１２の差から、ＭＬＤパターン３ｃの形状（構造）を計算する。すなわち、数値計算結果に基づいて、被測定パターン３ｃの構造を求める。
【００５６】
このように、素子分離領域２の影響を受ける周波数帯、すなわち、非共通領域１４での計算を行わないことにより、素子分離領域２の影響を受ける可能性が低下し、測定精度が向上する。また、計算量が減るので、測定用モデルの作成時間が短縮できるとともに、素子分離領域２の影響を受ける周波数帯は計算から除外されるので、素子分離領域２の変更を考慮する必要が無くなる。
【００５７】
以上説明した本実施例のパターン測定方法によれば、次のような効果が得られる。
【００５８】
測定結果への下地パターン２の影響を少なくし、モデル解析時間を短縮できるとともに、下地パターン２の形状・ＣＤ・膜厚などの変更に伴うモデル修正の回数低減が期待される。その理由は、実セルのパターンの測定結果１０（実波形Ａ）と下地パターン２のないダミーパターンの測定結果１１（ダミー波形Ｂ）とを比較照合し、波形が異なる部分の波長帯１４は、下地パターン２の影響を受けて変化し易い波長帯であるため、これを測定用モデル作成から除外しているからである。
【００５９】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は、上記の実施例に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６０】
１    半導体基板
２    素子分離領域（下地パターン）
３ａ    マット酸化膜（パッド酸化膜）
３ｂ    マスク窒化膜
３ｃ    ＭＬＤパターン（上地パターン）
３ｃ’    サイドエッジ
３ｄ    理想パターン（理想的なＭＬＤパターン）
３ｅ    第１のＢＡＲＣ膜
３ｆ    ＭＬＤ−ＣＶＤ膜
３ｇ    第２のＢＡＲＣ膜
４    理想的な被測定物
５    実際の被測定物
６    参照光
７    反射光
８    理想スペクトル計算点
９    実スペクトル
１０    実セルの実スペクトル（実波形Ａ）
１０’    下地パターンの影響の場合のダミースペクトル（ダミー波形Ａ’）
１１    ダミーパターンのダミースペクトル（ダミー波形Ｂ）
１２    理想パターンの理論スペクトル計算点（計算点）
１３    実セルとダミーパターンのスペクトルの共通領域（共通領域）
１４    実セルとダミーパターンのスペクトルの非共通領域（非共通領域）
Ｒ    レジスト
Ｆ    線幅（ワードトレンチ溝幅）
Ｘ    Ｘ方向
Ｘ’    Ｘ’方向
Ｙ    Ｙ方向
Ｚ    Ｚ方向
【図１Ａ】
2013231648.tif 000003
【図１Ｂ】
2013231648.tif 000004
【図２Ａ】
2013231648.tif 000005
【図２Ｂ】
2013231648.tif 000006
【図２Ｃ】
2013231648.tif 000007
【図３Ａ】
2013231648.tif 000008
【図３Ｂ】
2013231648.tif 000009
【図３Ｃ】
2013231648.tif 000010
【図３Ｄ】
2013231648.tif 000011
【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
2013231648.tif 000014
【図４Ｂ】
2013231648.tif 000015
【図４Ｃ】
2013231648.tif 000016
【図５Ａ】
2013231648.tif 000017
【図５Ｂ】
2013231648.tif 000018
【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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