(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造中の半導体ウェーハを解析するための方法であって、
表面画像を生成するために走査電子ビーム顕微鏡（ＳＥＭ）で半導体ウェーハ表面上の複数のパターン・フィーチャの内の少なくとも１つを走査し、該表面画像を、フィーチャの線幅セグメント（３０１、５０１）及び線間隔セグメント（３０２、５００）を含む表面特性を表す、該パターン・フィーチャから反射された検出電子の関数としての振幅変調波形の信号に変換するステップ、
前記振幅変調波形の信号のセグメント（３００、４０３、５０２、５０４）を抽出するステップであって、該抽出されたセグメントは波形間隔セグメントの一部であり、該波形間隔セグメントが前記線幅セグメントの選択されたものの間にある、ステップ
カーブ・フィットアルゴリズムを前記抽出されたセグメントに適用し、該カーブ・フィットアルゴリズムの既知のカーブ形状を該抽出されたセグメントに相関させることを試み、前記抽出されたセグメントを該既知のカーブ形状と比較するステップ、及び
前記カーブ・フィットアルゴリズムが成功した場合に前記波形を正規に分類するステップ
を備える方法。
【請求項２】
前記波形が正常として分類されない場合に、前記波形間隔セグメントの上部の幅を該波形間隔セグメントの底の幅と比較するステップをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記カーブ・フィットアルゴリズムを適用することが、凸の弧について線間隔セグメントに対応する波形フィーチャを解析することを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記線幅セグメントはエッチングされたパターン・コンダクタを表し、前記抽出されたセグメントは該エッチングされたパターン・コンダクタ間のエッチング間隔に含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記カーブ・フィットアルゴリズムを適用するステップが、前記パターン・コンダクタ間の間隔に対応するプロファイルのセグメントを、前記既知のカーブ形状としての円形状と比較するステップを含む請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は概して、半導体製造分野に関する。具体的には、本発明は線幅度量衡（線幅メトロジー）を用いたパターンフィーチャを伴う半導体表面解析方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
半導体の製造は、ウェーハ・ロット上で実行される多くの重要な処理ステップから成っている。組立プロセスは、フレームワークまたはネットワークの製造において通信するツールを使用する。このネットワークは、製造モデルスクリプトソフトウェアにともないプロセス制御システムを確立する。このシステムにおけるプロセスを通じて半導体材料が組み立てられることによって、品質に関するデータが収集される。このシステムにおいて、たびたび起こるプロセスのエラーは典型的なものであり、このエラーは、半導体材料の臨界寸法においてかなりの不整合を起こす。
【０００３】
ウェーハが一旦、パターン・フィーチャ（パターンの形状的特徴）を有すると、半導体表面の品質解析は線幅度量衡を用いて実行される。製造の問題はたびたび、フィーチャの側壁の低品質に帰着される。さらに、フィーチャの底の残留物、およびスカムの量が必要最低限になるのが望ましい。基板上のフィーチャの数およびフィーチャの複雑さが増大することによって、この方法はユーザが特定する臨界寸法が一貫性と正確性が達成されることを保証するために開発されなければならない。エラーの減少の必要性は、また、半導体デバイスのためのより小さな臨界寸法の技術促進の実質的な増進となる。
【０００４】
1つのアプローチは、逸脱したプロファイルの既知のマスターデータベースと波形プロファイルの臨界寸法とを比較するためにソフトウェアを利用することである。このアプローチでは、臨界寸法の起こりうる全ての欠陥は、スケールおよび形状両方の完全な範囲をデータベース内に記録し保管されなければならない。各波形は、使用される技術および測定ツールに特有のものである。 データベースは、各構造および基板のために積極的に維持される。ソフトウェアは、データベース内にあるものと、全ての信号プロファイルとの間で任意の相関関係を識別することができる。検出は、全ての信号相関を必要とし、復元された形状と同じようにスケールにおける変動に一致しなくても良い。この解決法は、高度の間違った検出を出す結果となる。不適当な実行により、この方法は製造設備には導入されない。
【０００５】
他の伝統的なイン・ライン測定は、半導体プロファイルに関係なく、フォトレジスト線幅を測定する。しかしながら、プロファイルは、パターン移動に強く影響を及ぼし、小型デバイス構造の中で明らかにされる必要がある。本発明は、変則プロファイルの評価を可能にし、偏差マグニチュードのランクを付け、そして、本発明は、ロットがエッチングに委ねられる前に、ルートを修正するイン・ライン測定システムを可能にする。
【０００６】
【発明の概要】
本発明の目的は、半導体製造プロセスの合理化し、生産歩留まり率を増加させ、より高い精度の必要性を解決し、そして、人間の関与の必要性を少なくするように、自動プロセスによってプロセス信頼性／再現性を誘導することである。
【０００７】
本発明の第２の目的は、線幅度量衡信号プロセスを利用したパターン・フィーチャを有する半導体表面の受容性を自動的に決定する方法を提供することである。
【０００８】
本発明の第３の目的は、線間の間隔が十分にクリアにならないスカムの欠陥を認知し、対応するものである。
【０００９】
本発明の第４の目的は、広範囲の技術に対する普遍的な適用可能性、測定ツールを供給し、そして、形状およびスケール両方のプロセス変動から独立した既知の信号特性へのカーブ・フィット関数の適用を記述した方法の適用を介したプロセス制御システムを提供するものである。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、 特殊なフィーチャの存在を決定するために既知の幾何学形状を利用することによって、特殊なフィーチャを検出するスケール独立数値的関与に依存した正規の波形プロファイルを「修得」することが必要でない解決法を提供することである。
【００１１】
本発明によって記載された方法は、線幅度量衡を利用した半導体表面の品質を解析するために既知のカーブ・フィット関数のような幾何学形状を採用することによって半導体製造のためのプロセスの自動化を可能することである。これは、半導体層上に作られたパターン・フィーチャを解析することで実現される。少なくとも１つのパターン・フィーチャは線の振幅変調波形信号および近接間隔特性を生成するために走査される。信号プロセスは、振幅変調波形信号のプロファイルに基づいた既知のパターン・フィーチャを抽出するためのイン・ライン計算ソースによって、この波形上に自動的に実行される。ソフトウェアが分類を実行することによって、プロセスが自動化される。抽出された波形セグメントは、パターン・フィーチャ品質の受容性に直接的に関係する半導体層上の正規または変則のパターン・フィーチャを示すか否かを決定するために、カーブ・フィット関数を条件とする。いったん波形が処理されている多くのウェーハを分類することは、次のプロセスまたは再加工に配置されることとなる。
【００１２】
【発明の詳細な記述】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および相似線幅度量衡ツール（相似線幅メトロジーツール）は、半導体製造プロセスにおいて臨界寸法（ＣＤ：ｃｒｉｔｉｃａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）データを得るために、一般的に利用されている。いったんデータが得られると、処理されている半導体材料の性質に対して、正確に解析されなければならない。測定ツールから得られた簡単な表示データによって、オペレータが問題を検出することは難しく、非効率的である。デバイスの小型化、構成の制限が厳しくなるにつれて、製造プロセス中にウェーハをテストするための方法は重要となってきている。効率化、およびよりよい精度の要求は、本発明において半導体表面評価プロセスについて記述することによって表現される。
【００１３】
ＳＥＭは、走査されている表面の各増分からのイオン・ビーム反射で表示されるデータを形成する。このデータは、イオン反射の強度を示す信号の振幅を示す図３に示されるタイプのアナログ信号に変換される。反射強度変動は、材料および表面上のフィーチャの深さに依存する。イオンは、コーナの上部および側表面の両方から逃げるので、平坦な表面は、コーナよりも反射が少ない傾向にある。
凹の側壁内のイオンの捕捉により、凹内の反射は衰える。
【００１４】
本明細書記載の方法は、イオン・ビーム反射強度のアナログ信号の代表値に適用される線幅度量衡（線幅メトロジー）を利用した半導体表面品質を解析するための、既知の幾何学形状の数学的表現を採用することによって、半導体製造プロセスを自動化する方法である。フォトレジストのようなパターン・フィーチャを有する半導体表面は、少なくとも１つのパターン・フィーチャを走査して、走査された波形信号を生成することによって解析される。波形信号のセグメントは、パターン・フィーチャの特徴的表面部分に対応する。これらの信号セグメントは、複数の既知の幾何学形状の内の一つの既知の幾何学形状を利用して処理されて、パターン・フィーチャの受容性が解析される。このことにより、半導体材料の表面品質を決定するプロセスを自動的に行うことができる。受容性は、「正規」の状態の受け入れられるべき波形のケースに合致する。反対に、受容性は、受け入れられるべきでないものとして、「変則」波形のケースと合致する。既知の幾何学形状はカーブ・フィット関数として見なされる。正規波形の検出は、ウェーハ・ロットを有効にし、製造を継続させる、受け入れられるべき品質を有していることとなる。変則波形が検出されると、劣った品質のウェーハのウェーハ・ロットは、次のプロセス・リソースの運用に先立って中断されることとなり、品質装置の製造歩留まりは増加することとなる。
【００１５】
図１の半導体ウェーハ処理システムの簡単なブロック図１００は、本発明のプロセス自動化のための少なくともいくつかの説明である。コンピュータ・システム１０５、１０７は、プロセスと連動しており、半導体ウェーハとしての測定ツールが処理される。ステッパまたはエッチ・プロセス・ツールのようなプロセス・ツール１０１、１０３および臨界寸法測定ツール（例えば、走査電子顕微鏡）のような測定ツール１０２、１０４は、ネットワーク通信リンク１０６を介して、コンピュータ・システム１０５と連動している。通信は、複数の制御入力信号およびデータを包含している。コンピュータ・システム１０５は、製造プロセスを制御するため、および適切なデータを収集するためのソフトウェアを利用する。
【００１６】
このシステムの代用的な製造フローは、プロセス・ツールＡ１０１を対象としたライン１０６上の制御入力信号をサポートする。このステージにおけるウェーハ製造の一部において、測定ツールＡ１０２は、通信リンク１０６を介してコンピュータ・システム１０５（例えば、制御装置）にデータを入力提供する。望ましい実施例では、コンピュータ・システム１０５は、測定ツールＡ１０２および任意の先行プロセスによって要求されたプロセスデータに応答して、プロセス・ツールＡ１０１によって、製造プロセスが実行されることに対してフィードバック制御調整を生成する能力がある制御アルゴリズムを使用する。製造フローは、測定ツールｎ１０４と結びついているプロセス・ツールｎ１０３によって示されたウェーハ製造の追加ステージのための反復的な方法において継続する。
【００１７】
半導体ウェーハ処理システム１００の次の検査は、図２に示される。本発明の望ましい実施例では、臨界寸法（ＣＤ）測定ツールとして、走査電子顕微鏡が用いられる。走査電子顕微鏡２０２は、電子ビームチャネル２０１を成形し、プロセスが実行されるための特殊なレンズ２０４、２０６を含むハウジング２０３を包含する。高圧供給装置２００は、電子ビーム・コラムを介して電力を供給する。レンズ用電源装置２０５は、電子ビームを制御して、電子制御装置２０８上に配置されているウェーハ２０７に衝突させる。真空システム２０９を介して、ハウジング２０３内が真空に保たれる。電子は、収集され、回路２１０を通して、像を形成する制御装置１０５内に送られる。制御装置１０５は、像を処理し、形状およびスケールを計算する。プロセス・ツールＡ１０１への調整は、識別されて、制御装置１０５を介して通信され得ることとなる。制御装置１０５は、走査回路２１２および倍率制御装置２１１をも制御する。
【００１８】
当業者に良く知られているように、パターン・コンダクタの線幅および線間隔度量衡のような線幅臨界寸法またはＣＤ測定は、スケーリングとして知られる、フィーチャの実際のサイズに対して振幅変調波形または強度信号に対応するかどうか試みるものである。振幅変調波形信号の形式の強度信号は、通常可視化され、プロファイルまたは波形として処理される。ＣＤ線幅度量衡は、半導体層上に生成されたフォトレジスト・フィーチャのようなパターン・フィーチャの実際のスケールまたはサイズを、線幅度量衡装置から生成された強度信号に適応させる。このことは、パターン・フィーチャを走査することおよび、線のようにパターン・フィーチャから反射された検出電子の関数としての振幅変調波形信号を生成することを遂行させる。伝統的な線幅度量衡は、概して、パターン・フィーチャ形状変動によって起こされる影響を無視する。しかしながら、形状は、半導体ウェーハの次のプロセスにおける逆の影響によって、しばしば決定されてしまうことがある。
【００１９】
図３および４は、決定されるパターン・フィーチャのＣＤ線幅の走査プロファイルを描いた適切に調整された波形信号である。図３および４は、「正規」な強度トレース波形を示している。この波動トレース・セグメント３０１は、コンダクタ・ライン・フィーチャを表し、波動トレース・セグメント３０２は、線間の間隔フィーチャを表している。実際のウェーハ・フィーチャの寸法は、通常はミクロンであるが、描画寸法は、ｘ軸３０３、４０２はインチで描画されている。正規強度トレース波形は、垂直に近い波形セグメント３００によって、間隔の側壁を完全に形成しているように描画されている。各間隔の底は、理想的にフラットであり、この場合は既知の幾何学形状を含む円４００の円弧に相当する凸の形状を有する波形セグメント４０３によって特徴づけられている。この、既知の幾何学形状は、波形を解析するために利用される。正規波形における既知の特徴的な例は、次のものを含む。
・例えば、垂直に近く形成し、擬似的に平行である間隔フィーチャ側壁波形セグメント３００。
・円と関連づけられるか、適切な形状およびサイズを示す動径ベクトル４０１によって定義される凸の円弧の特性がある間隔フィーチャ底波形セグメント４０３。
【００２０】
図５および６は、変則トレース波形のＣＤ線幅が決定することができるプロファイルを描画する変則トレース波形のセグメントを示している。ｘ軸に沿った描画寸法５０３はインチで示される。波形は、現在の状態をコンダクタ線の間が十分にクリアでない間隔の欠陥である「スカム」または「フッティング」として当業者に良く知られているように示される。波形セグメントは、コンダクタ線に相当する時間間隔５０１によって表される。間隔５０１間の波形セグメントは、ラインの形状を生成するためにエッチングされたコンダクタ線間の間隔に相当する。ここで留意すべきは、プロファイルセグメント５０４は、細い底セグメント５０２に向かうに従って細くなるので、５００の幅は、底の５０２の幅よりも広い。さらに、図６によって更に明らかなことは、各間隔セグメント・プロファイルの底は、凹であり、Ｕの形状のプロファイル６００によって特徴づけられる。
【００２１】
間隔および線のパターンの種類のための変則波形における既知の特性の例は、以下のもの包含する。
・間隔フィーチャが、正の放物線形状のような既知の幾何学形状６００に適合すること。
・間隔セグメント・プロファイルの底の幅５０２が、典型的に、間隔セグメントプロ・ファイル上部の幅５００に相当するものよりも極めて小さいこと。
・幅５０２が、変則のマグニチュードの測度であること。
・間隔幅５００よりも狭い幅５０２が、スカムまたはフッティングを表すこと。
【００２２】
本発明は、ロットの収容に先立って半導体ウェーハの品質を次のプロセスへ分類するのに、既知の波形特性を識別して用いることができる、という事実を活用する。本発明の望ましい実施例は、半導体デバイスの品質が処理されることを拒否するべきか受け入れられるかを決定するために、カーブ・フィット関数のような既知の「正規」および「変則」特性を数学的に表すものを含むアルゴリズムを採用する為にソフトウェアを使用する。ソフトウェアのフロー図は、図７に示される波形測定プロセスのための制御装置１０５に属する。線間隔プロファイル波形が生成されることによって、ブロック７０１の関連ＣＤ測定プロセスに従って、ブロック７００でイン・ライン半導体のプロセスが実行される。信号処理ブロック７０２は、それらの属性を解析するために、それらの波形上で実行される。チェックはブロック７０３において、「正規」属性の保有について現在解析されているかどうかを決定するために実行される。もし、「正規」属性ならば、波形は、「正規」として分類され、ウェーハ・ロットは、次の処理ステップのブロック７０４（例えば、エッチング）で処理されることを提示される。しかしながら、波形が「正規」として分類されなければ、「変則」属性を保有するかどうかを決定するために次の処理に提示される。もし、波形が「変則」属性を保有していたならば、「変則」として分類され、ブロック７０５において、ウェーハ・ロットは再加工される。
【００２３】
図８は、波形が正規波形として分類された属性を保有するか否かを決定するための波形処理を詳細に示すものである。波形フィーチャはブロック８００において、既知の特性（例えば、間隔セグメント、線セグメント）に分離される。次の処理のために、ブロック８０１において、波形間隔セグメントが抽出される。ブロック８０２において、カーブ・フィット関数を、抽出された波形のセグメント要素に適用することによって、間隔セグメントの特性は決定される。カーブ・フィットアルゴリズムは、生成された半径（図４に描かれている正または凸の弧）を、波形の抽出された間隔セグメントに相関させることを試みる。カーブ・フィット関数が、半径値を定義することが成功すれば、図３に定義されている幅３０２のような間隔幅と比較される。ブロック８０３において、半径が間隔幅と比較して大きければ、ブロック８０４において、波形の特性は正規として分類される。次に、ブロック７０４において、ロットが次の処理をされるように自動的に許可される。しかしながら、カーブ・フィットアルゴリズムが成功しなければ（例えば、間隔幅と関連する大きな凸の半径特性が、解析された波形に存在しない場合）、ブロック８０５において、変則波形状態のチェックが実行される。
【００２４】
変則波形処理は、図９のフロー図により定義される。解析された波形に変則間隔セグメントプロファイルが存在するか否かを決定するために、放物線状のカーブ・フィット関数は、ブロック９００（図６参照）において、抽出された間隔セグメントに関係づけられる。放物線状のカーブ・フィットは下記の式で表される：
【数１】
0004964400.tif 000002
ここで、Ｆは、図３の寸法３０２、または図５の寸法５０２によって示される幅である。
【００２５】
テストは、ブロック９０１において、処理されている間隔セグメント内に正の放物線特性が存在するか否かを決定するために実行される。このテストはさらに、放物線形状の幅を間隔幅と比較する。もし、間隔形状が、間隔長さと比較して小さい場合、および図６に示されている正の放物線形状を保有すれば、ブロック９０２（図５参照）において、焦点長さが計算される。もし、ブロック９０３において、焦点長さが、間隔幅より短い、または同じと判断された場合は、ブロック９０４において、波形は「変則」として分類される。それにより、ロットは、ブロック７０５において、再加工されるために自動的に分類される。もし、変則波形状態が、この処理中に存在しなければ、ブロック９０５において、波形データは記録され、ロットは再加工されるために自動的に分類される。
【００２６】
本発明は、広範囲の技術、測定ツールおよびプロセス制御システムに対して普遍的な適用可能性を持っている。この幾何学形状またはカーブ・フィットアルゴリズムを採用した手法は、処理の自動化を可能にする処理の変動、形状偏差および寸法変動に対して独立する。本発明は、カーブ・フィット関数を採用することにより、「正規」および「変則」プロファイル特性の全ての事例を「学ぶ」必要はない。示された方法を適用するプロセス自動化はより有効な製造に関する問題解決を産出する。
【００２７】
本発明の好ましい特徴だけが実施例で示されたが、多くの修正や変形は当業者によって考案される。よって、本願の請求項はそのような全ての修正および変形を網羅することを、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で意図されることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】製造システムを説明するブロック図である。
【図２】製造システム内のサブシステムを説明するブロック図である。
【図３】認識された特性を持つ正規強度トレース波形の図である。
【図４】カーブ・フィット関数に関連する認識された特性形状を持つ正規強度トレース波形の図である。
【図５】認識された特性を持つ変則強度トレース波形の図である。
【図６】放物線上の特性を示す変則強度トレース波形セグメントの図である。
【図７】波形を分類するプロセスのフロー図である。
【図８】正規の状態のための波形測定プロセスのフロー図である。
【図９】変則状態のための波形測定プロセスのフロー図である。
【符号の説明】
１００  半導体ウェーハ処理システム
１０５  コンピュータ・システム、制御装置
１０６  通信リンク、ライン
１０７  コンピュータ・システム
２０１  電子ビームチャネル２０１
２０２  走査電子顕微鏡
２０３  ハウジング
２０４  特殊なレンズ
２０６  特殊なレンズ
２０７  ウェーハ２０７
２０８  電子制御機器
３００  間隔フィーチャ側壁波形セグメント
３０１  波動トレース・セグメント
３０２  波動トレース・セグメント
３０３  ｘ軸
４００  幾何学形状を含む円
４０１  動径ベクトル
４０２  ｘ軸
４０３  凸の形状を有する波形セグメント
５００  間隔セグメントプロファイル上部の幅
５０１  時間間隔
５０２  間隔セグメントプロファイルの底の幅
５０３  寸法
５０４  プロファイルセグメント
【図１】
0004964400.tif 000003
【図２】
0004964400.tif 000004
【図３】
0004964400.tif 000005
【図４】
0004964400.tif 000006
【図５】
0004964400.tif 000007
【図６】
0004964400.tif 000008
【図７】
0004964400.tif 000009
【図８】
0004964400.tif 000010
【図９】
0004964400.tif 000011