JP2000199705A - 形状測定装置および形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被測定対象物の立体形状をより正確に測定でき
る形状測定装置および形状を測定方法を提供する。 【解決手段】レーザ光源部２と、レーザ光源部２からの
レーザ光を接近した周波数の複数の測定用レーザ光と参
照用レーザ光とに変換する光周波数変更手段としての光
周波数シフター部６と、測定用レーザ光が入射され、ウ
ェハＷ上に集光して各測定用レーザ光に対応した複数の
異なる焦点を形成する集光手段としての対物レンズ２４
と、測定用レーザ光をウェハＷ上で走査する走査手段と
してのレーザ走査部１１と、反射光と参照用光との重ね
合わせ光の光強度を共焦点検出する受光手段としての光
検出部１２および共焦点ピンホール板１３と、光検出部
１２の検出した光強度に基づいて、各焦点位置での走査
方向のコントラスト波形を生成、合成するコントラスト
波形生成手段としての解析部２１とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば、半導体
装置の積層されたパターンの重ね合わせ精度の測定等に
用いて好適な形状測定装置および形状測定方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体デバイスにおける各パター
ンの重なり具合（重ね合わせによる各パターンの位置ず
れ）を検査する、パターンの重ね合わせ精度の測定は、
たとえば半導体ウェーハ上に形成された合わせずれ測定
マーク、いわゆるボックスマークを二次元画像で検出す
ることで行われている。図４は、重ね合わせによる各パ
ターンの位置ずれを検査する二次元画像の重ね合わせ精
度測定装置の構成の要部を概略的に示す図である。図４
に示す重ね合わせ精度測定装置は、ランプ１０１からの
可視光をレンズ１０２、ハーフミラー１０３および対物
レンズ１０４を介して半導体ウェーハＷ上のボックスマ
ークＢＭに照射し、その反射光を上記対物レンズ１０
４、上記ハーフミラー１０３、および結像レンズ１０５
を介してカメラ１０６で受光するように構成されてい
る。

【０００３】図５は、上記の重ね合わせ精度測定装置に
よる検査に用いられるボックスマークＢＭの形状を概略
的に示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は
断面図である。ボックスマークＢＭは、半導体デバイス
の製造プロセスにおいて、各パターンの形成にともなっ
て、半導体ウェーハＷのダイシングライン上に立体的に
順次形成される。たとえば、レジストパターンとシリコ
ンオキサイドパターンとの重ね合わせによる位置ずれを
検査する場合にあっては、レジストパターンの形成時に
レジストにより形成されるインナボックスマーク（内側
正方形パターン）ＢＭａと、シリコンオキサイドパター
ンの形成時にインナボックスマークＢＭａの外側にシリ
コンオキサイドにより形成されるアウタボックスマーク
（外側正方形パターン）ＢＭｂとからなる。

【０００４】図６は、上記したボックスマークＢＭとそ
の反射光像から求められるコントラスト波形との関係を
示す図である。図６から分かるように、インナーボック
スマークＢＭａのＸ軸方向およびＹ軸方向の両端座標位
置Ｘｉｌ，Ｘｉｒ，Ｙｉｌ，Ｙｉｒと、アウターボック
スマークＢＭｂのＸ軸方向およびＹ軸方向の両端座標位
置Ｘｏｌ，Ｘｏｒ，Ｙｏｌ，Ｙｏｒでは、それぞれ、半
導体ウェーハＷとの間に段差があるため、求められるコ
ントラスト波形としては、その段差の部分にそれぞれ明
度の変化をともなったピークをもつ。したがって、カメ
ラ６で受光した反射光像の、１つのセクションのコント
ラスト波形を求めて、それを解析する。たとえば、求め
たコントラスト波形のボトム（ピークの頂点）の位置を
個々に検出して、アウタボックスマークＢＭｂに対する
インナボックスマークＢＭａの、Ｘ方向およびＹ方向の
位置をそれぞれに算出することで、レジストパターンと
シリコンオキサイドパターンとの重ね合わせによる位置
ずれを検査できる。なお、インナボックスマークＢＭａ
に対するアウタボックスマークＢＭｂのＸ方向の位置ず
れ量ｄｘは、たとえば、次式（１）により計算できる。

【０００５】 ｄｘ＝｛（Ｘｉｌ＋Ｘｉｒ）／２｝−｛（Ｘｏｌ＋Ｘｏｒ）／２｝…（１）

【０００６】同様に、インナボックスマークＢＭａに対
するアウタボックスマークＢＭｂのＹ方向の位置ずれ量
ｄｙは、たとえば、次式（２）によって計算できる。

【０００７】 ｄｙ＝｛（Ｙｉｌ＋Ｙｉｒ）／２｝−｛（Ｙｏｌ＋Ｙｏｒ）／２｝…（２）

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した二次元画像の
重ね合わせ精度測定装置では、立体的に形成されたボッ
クスマークＢＭを用いて、重ね合わせによる各パターン
の位置ずれを検査するものであるため、以下のような不
利益が存在する。ここで、図７（ａ）は積層膜構造を有
する半導体デバイスの製造過程における断面図であり、
図７（ｂ）はそのコントラスト波形を示す図である。図
７（ａ）は、たとえば、ウェハＷ上にシリコンオキサイ
ドパターンＳＰが形成され、このシリコンオキサイドパ
ターンＳＰ上にアルミニウム配線パターンＡＰが形成さ
れている。図７（ｂ）は、このアルミニウム配線パター
ンＡＰ上に形成されたレジストパターンＲＰとアルミニ
ウム配線パターンＡＰとの重ね合わせによる位置ずれを
検査した結果得られるコントラスト波形である。

【０００９】図７（ａ）および（ｂ）から分かるよう
に、レジストパターンＲＰとアルミニウムの配線パター
ンＡＰとの間の段差におけるコントラスト波形は、アル
ミニウムのカバレッジ性により、実際の形状とは異なる
形状となる。このように、二次元画像の重ね合わせ精度
測定装置では、パターンに比較的深く、かつ傾斜する段
差がある場合には、求めたコントラスト波形からレジス
トパターンＲＰのエッジ位置とアルミニウム配線パター
ンＡＰのエッジ位置を正確に検出することは困難であ
り、現状では、図７に示すコントラスト波形のボトム位
置ＰA およびＰr （ピークの頂点）をパターンのエッジ
と仮定している。このため、位置ずれの検査の結果は誤
差を含んだものとなりやすく、これが製品の歩留りを低
下させる一因となっていた。今後、半導体デバイスの製
造プロセスにおいては、集積回路の回路パターンの微細
化にともなって、さらなる積層膜構造の多用は避けられ
ず、半導体デバイスの製造プロセスにおける各パターン
の精度をより正確に検査できる装置の開発が必要となっ
ている。

【００１０】本発明は、上述の問題に鑑みてなされたも
のであって、たとえば、半導体デバイスの製造プロセス
における各パターンの立体形状等の微細な被測定対象物
の立体形状をより正確に測定できる形状測定装置および
形状測定方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の形状測定装置
は、レーザ光源部と、前記レーザ光源部から放射された
レーザ光が入力され、レーザ光を互いに異なる接近した
周波数を有する複数の測定用レーザ光と参照用レーザ光
とに変換して出力する光周波数変更手段と、前記光周波
数変更手段から出力された測定用レーザ光が同一の光路
を通じて入射され、当該測定用レーザ光を被測定対象物
上に集光して前記各測定用レーザ光に対応した複数の異
なる焦点を形成する集光手段と、前記集光された測定用
レーザ光を被測定対象物上で走査する走査手段と、前記
測定用レーザ光の前記被測定対象物からの反射光と前記
参照用光とを重ね合わせる重ね合わせ手段と、前記反射
光と前記参照用光との重ね合わせ光が入射され、当該重
ね合わせ光の光強度を共焦点検出する受光手段と、前記
受光手段の検出した光強度に基づいて、前記各測定用レ
ーザ光についての前記走査方向のコントラスト波形を生
成し、前記各コントラスト波形を合成するコントラスト
波形生成手段とを有する。

【００１２】前記受光手段は、前記重ね合わせ光を受光
する受光素子と、前記重ね合わせ光の前記受光素子への
入射光路に設けられた前記重ね合わせ光の光強度を共焦
点検出するための開口を有する開口板とを有する。

【００１３】前記レーザ光源部は、可視帯域の可視レー
ザ光と、遠紫外線帯域の遠紫外レーザ光とを選択的に出
力可能である。

【００１４】前記重ね合わせ手段は、前記光周波数変更
手段から出力される参照用レーザ光を前記受光手段に反
射させ、前記各測定用レーザ光と同一の光路を遡って入
射する前記被測定対象物からの反射光を透過して前記受
光手段に入射させるビームスプリッタを有する。

【００１５】前記光周波数シフト手段は、それぞれ異な
る周波数の超音波によって前記レーザ光源部から放射さ
れるレーザ光の周波数を変える複数の音響光学変調手段
を有する。

【００１６】また、本発明の形状測定装置は、レーザ光
源と、前記レーザ光源から放射されたレーザ光が入力さ
れ、レーザ光を互いに異なる接近した周波数を有する複
数の測定用レーザ光と参照用レーザ光とに変換して出力
する光周波数変更手段と、前記光周波数変更手段から出
力された測定用レーザ光が同一の光路を通じて入射さ
れ、当該測定用レーザ光を被測定対象物上に集光して前
記各測定用レーザ光に対応した複数の異なる焦点を形成
する集光手段と、前記集光された測定用レーザ光を被測
定対象物上で走査する走査手段と、前記測定用レーザ光
の前記被測定対象物からの反射光と前記参照用光とを重
ね合わせる重ね合わせ手段と、前記反射光と前記参照用
光との重ね合わせ光が入射され、当該重ね合わせ光の光
強度を検出する受光手段と、前記受光手段の検出した光
強度に基づいて、前記各焦点位置での前記走査方向のコ
ントラスト波形を生成し、前記各コントラスト波形を合
成するコントラスト波形生成手段とを有する。

【００１７】また、本発明の形状測定装置は、レーザ光
源と、前記レーザ光源から放射されたレーザ光が入力さ
れ、レーザ光を互いに異なる接近した周波数を有する複
数の測定用レーザ光と参照用レーザ光とに変換して出力
する光周波数変更手段と、前記光周波数変更手段から出
力された測定用レーザ光を被測定対象物上に集光して焦
点を形成する集光手段と、前記集光された測定用レーザ
光を被測定対象物上で走査する走査手段と、前記測定用
レーザ光の前記被測定対象物からの反射光と前記参照用
光との重ね合わせる重ね合わせ手段と、前記反射光と前
記参照用光との重ね合わせ光が入射され、当該重ね合わ
せ光の光強度を共焦点検出する受光手段と、前記受光手
段の検出した光強度に基づいて、前記焦点位置での前記
走査方向のコントラスト波形を生成するコントラスト波
形生成手段とを有する。

【００１８】前記受光手段は、重ね合わせ光の入射光路
に前記重ね合わせ光の光強度を共焦点検出するための開
口を有する開口板を有する。

【００１９】本発明の形状測定方法は、レーザ光源から
放射されたレーザ光を互いに異なる接近した周波数を有
する複数の測定用レーザ光と参照用光とに変換し、前記
複数の測定用レーザ光を同一の光路を通じて被測定対象
物上に集光して前記各測定用レーザ光に対応した異なる
焦点を形成し、かつ、前記被測定対象物上で走査し、前
記測定用レーザ光の前記被測定対象物からの反射光と参
照用光とを重ね合わせ、当該重ね合わせ光の光強度を共
焦点検出し、検出された前記光強度に基づいて、前記各
焦点位置での前記走査方向のコントラスト波形を生成
し、前記各コントラスト波形を合成して、前記被測定対
象物の前記走査方向の表面形状を特定する。

【００２０】前記レーザ光に遠紫外線帯域の遠紫外レー
ザ光を用いる。

【００２１】前記レーザ光に前記被測定対象物の種類に
応じて遠紫外線帯域の遠紫外レーザ光および可視帯域の
可視レーザ光のいずれかを選択して用いる。

【００２２】また、本発明の形状測定方法は、レーザ光
源から放射されたレーザ光を互いに異なる接近した周波
数を有する複数の測定用レーザ光と参照用光とに変換
し、前記複数の測定用レーザ光を同一の光路を通じて被
測定対象物上に集光して前記各測定用レーザ光に対応し
た複数の異なる焦点を形成し、かつ、前記被測定対象物
上で走査し、前記測定用レーザ光の前記被測定対象物か
らの反射光と参照用光とを重ね合わせ、当該重ね合わせ
光の光強度を検出し、検出された前記光強度に基づい
て、前記各焦点位置での前記走査方向のコントラスト波
形を生成し、前記各コントラスト波形を合成して、前記
被測定対象物の前記走査方向の表面形状を特定する。

【００２３】また、本発明の形状測定方法は、レーザ光
源から放射されたレーザ光を互いに異なる接近した周波
数を有する測定用レーザ光と参照用光とに変換し、前記
測定用レーザ光を被測定対象物上に集光して焦点を形成
し、かつ、前記被測定対象物上で走査し、前記測定用レ
ーザ光の前記被測定対象物からの反射光と参照用光とを
重ね合わせ、当該重ね合わせ光の光強度を検出し、検出
された前記光強度に基づいて、前記焦点位置での前記走
査方向のコントラスト波形を生成し、前記被測定対象物
の前記走査方向の表面形状を特定する。

【００２４】本発明では、レーザ光源から放射されたレ
ーザ光は、光周波数変更手段によって互いに異なる接近
した周波数を有する複数の測定用レーザ光と参照用レー
ザ光とに変換される。光周波数変更手段から出力された
複数の測定用レーザ光は同一の光路を通じて、集光手段
によって被測定対象物上に集光される。集光された測定
用レーザ光は、それぞれ異なる周波数を有するため、被
測定対象物に対して複数の異なる焦点が形成される。集
光された測定用レーザ光は、走査手段によって被測定対
象物を走査され、被測定対象物からの反射光は、重ね合
わせ手段によって、参照用レーザ光と重ね合わせられ、
重ね合わせによって差周波数のうなりが生じる。この差
周波数のうなりが受光手段によって検出される。この測
定用レーザ光と参照用レーザ光とを干渉させ、発生する
差周波数のうなりの検出は、いわゆる光ヘテロダイン検
出と呼ばれるものである。光ヘテロダイン検出によっ
て、得られる像のコントラスト特性が向上し、検出光の
Ｓ／Ｎ比が向上する。

【００２５】また、光ヘテロダイン検出によって光強度
を検出する際に、受光手段は共焦点検出により検出され
る。共焦点検出は、反射光をピンホール、スリット等の
開口を通過させて受光手段の受光面に入射させ、反射光
強度分布の中央部を含む一部の範囲の強度を検出する検
出方法である。共焦点検出によって光学分解能が向上
し、得られる像のコントラスト特性が向上する。

【００２６】光ヘテロダイン検出および共焦点検出によ
って受光手段で得られた反射光の強度情報には、複数の
異なる焦点位置における反射光の強度情報が含まれるた
め、コントラスト波形生成手段は、各焦点位置での走査
方向におけるコントラスト波形を生成し、生成された各
コントラスト波形を合成する。合成されたコントラスト
波形は、被測定対象物の表面形状にある程度の深さ方向
の凹凸が存在しても、被測定対象物の表面形状を忠実に
反映する形状となり、被測定対象物の立体的な表面形状
が特定される。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は、本発明が適用され
た重ね合わせ精度測定装置の一実施形態の構成を示す図
である。図１に示す重ね合わせ精度測定装置１は、レー
ザ光源部２と、レーザ光の周波数をシフトさせる光周波
数シフター部６と、レーザビームを走査するレーザ走査
部１１と、光検出部１２と、共焦点ピンホール板１３
と、カメラ部２２と、結像レンズ２３と、対物レンズ２
４とを具備するレーザ走査型共焦点顕微鏡部と、解析部
２１と、カメラ部２２と、結像レンズ２３と、被測定対
象物としてのウェハＷを保持し、ウェハＷをＸ方向，Ｙ
方向およびＺ方向へ高精度に位置決め制御することが可
能なステージ２５とを有している。

【００２８】レーザ光源部２は、遠紫外線レーザ光源３
と、可視レーザ光源４とを有している。遠紫外線レーザ
光源３は、比較的波長の短い遠紫外線帯域の遠紫外線レ
ーザ光を出力する。可視レーザ光源４は、可視光帯域の
可視レーザ光を出力する。遠紫外線レーザ光源３から出
力されたレーザ光は、レーザ光源部２に設けられたビー
ムスプリッタＢＳ２を透過してレーザ光源部２外の所定
の光路に出力される。可視レーザ光源４から出力された
レーザ光は、レーザ光源部２に設けられたビームスプリ
ッタＢＳ１で反射されてビームスプリッタＢＳ２に入射
し、ビームスプリッタＢＳ２で反射されてレーザ光源部
２外の所定の光路に出力される。レーザ光源部２は、可
視光帯域の可視レーザ光と、比較的波長の短い遠紫外線
帯域の遠紫外線レーザ光と測定用途に応じて選択して放
射できる機構を有している。本実施形態では、たとえ
ば、４００ｎｍ以下の短波長のレーザ光では分光反射率
の悪い、たとえば、ポリシリコン等で形成されたパター
ンの位置ずれの測定には比較的波長の長い可視レーザ光
を用いる。上記のような問題が発生しない、たとえば、
アルミニウム等で形成された配線パターンの位置ずれの
測定には光学分解能が高い短波長の遠紫外線レーザ光を
用いる。

【００２９】光周波数シフター部６は、音響光学変調器
（ＡＯＭ:Acousto-OpticModulator）ＡＯＭ０，ＡＯＭ
１，ＡＯＭ２，ＡＯＭ３と、レーザ光源部２から出力さ
れ、ビームスプリッタＢＳ３によって２つに分岐された
レーザ光の一方を分岐させて各音響光学変調器ＡＯＭ
０，ＡＯＭ１，ＡＯＭ２，ＡＯＭ３に入射させるビーム
スプリッタＢＳ４〜ＢＳ７とを有する。

【００３０】各音響光学変調器ＡＯＭ０，ＡＯＭ１，Ａ
ＯＭ２，ＡＯＭ３は、それぞれ入射されたレーザ光Ｌに
異なる周波数の超音波を加えることで、互いに異なる接
近した周波数にシフトして、互いに異なる周波数のレー
ザ光出力する。音響光学変調器ＡＯＭ０は、レーザ光Ｌ
を周波数をシフトさせて参照用レーザ光Ｌ₀ に変換して
出力するが、レーザ光Ｌの周波数を変更せず素通りさせ
て参照用レーザ光Ｌ₀ の周波数をレーザ光Ｌと同じ周波
数とする構成としてもよい。また、音響光学変調器ＡＯ
Ｍ１，ＡＯＭ２，ＡＯＭ３は、レーザ光Ｌを周波数をシ
フトさせてそれぞれ測定用レーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ を
出力する。

【００３１】光周波数シフター部６の出力側には、各音
響光学変調器ＡＯＭ０，ＡＯＭ１，ＡＯＭ２，ＡＯＭ３
に対応してビームスプリッタＢＳ８〜ＢＳ１１が設けら
れている。ビームスプリッタＢＳ８は、音響光学変調器
ＡＯＭ０から出力される参照用レーザ光Ｌ₀ を反射して
共焦点ピンホール板１３の共焦点ピンホール１３ａに入
射させる。ビームスプリッタＢＳ９〜ＢＳ１１は、音響
光学変調器ＡＯＭ１，ＡＯＭ２，ＡＯＭ３からそれぞれ
出力される測定用レーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ を反射して
同一の光路を通じてレーザ走査部１１に入射させる。な
お、ビームスプリッタＢＳ８〜ＢＳ１１は、レーザ走査
部１１から出力される反射光をそれぞれ透過して共焦点
ピンホール板１３の共焦点ピンホール１３ａに入射させ
る。

【００３２】レーザ走査部１１は、それぞれビームスプ
リッタＢＳ９〜ＢＳ１１によって反射され、同一の光路
を通じて光周波数シフター部６からの測定用レーザ光Ｌ
₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ が入射され、これら測定用レーザ光
Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ を走査して出力する。レーザ走査部１
１は、ここでは機構は図示しないが、たとえば、ガルバ
ノミラーや、超音波光偏光素子等から構成することがで
きる。

【００３３】対物レンズ２４は、ステージ２５に対して
光軸が垂直になるように設けられており、対物レンズ２
４にの上方に設けられたビームスプリッタＢＳ１３によ
って反射されるレーザ走査部１１から出力された測定用
レーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ を集光してステージ２５上に
保持されたウェハＷ上に焦点を形成する。音響光学変調
器ＡＯＭ１，ＡＯＭ２，ＡＯＭ３からそれぞれ出力され
た測定用レーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ は、周波数が互いに
異なるため、たとえば、図２に示すように、対物レンズ
２４によって集光された測定用レーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ
₃の焦点は、Ｚ方向、すなわち、ウェハＷの高さ方向の
それぞれ異なる焦点位置ｆ１、ｆ２、ｆ３に形成され
る。

【００３４】光検出器１２は、ウェハＷに入射された測
定用レーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ の反射光と参照用レーザ
光Ｌ₀ とを重ね合わせた重ね合わせ光の光強度を測定
し、電気信号に変換して解析部２１に出力する。ウェハ
Ｗに入射された測定用レーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ の反射
光は、測定用レーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ の光路を遡って
光検出器１２に入射する。すなわち、反射光は、対物レ
ンズ２４、ビームスプリッタＢＳ１３、レーザ走査部１
１を介して、ビームスプリッタＢＳ１１〜ＢＳ８を透過
して光検出器１２に入射する。このとき、音響光学変調
器ＡＯＭ０から出力された参照用レーザ光Ｌ₀ も反射光
と同一の光路を通って光検出器１２に入射するため、参
照用レーザ光Ｌ₀ と反射光とが重ね合わされる。光検出
器１２は、たとえば、フォトダイオード等によって構成
することができる。

【００３５】共焦点ピンホール板１３は、光検出器１２
によって重ね合わせ光の光強度を共焦点検出するための
開口である共焦点ピンホール１３ａが形成されており、
光検出器１２に対して所定の位置に設けられている。

【００３６】解析部２１は、光検出器１２の検出信号に
基づいて、ウェハＷ上の各焦点位置ｆ１、ｆ２およびｆ
３におけるレーザ走査部１１の走査方向に沿ったコント
ラスト波形を生成する。また、解析部２１は、生成され
た各焦点位置ｆ１、ｆ２およびｆ３における各コントラ
スト波形を合成する。さらに、解析部２１は、合成され
たコントラスト波形に基づいて、ウェハＷ上に積層形成
された各パターンの重ね合わせによる各パターンの位置
ずれ（各パターンの重なり具合）を解析する。

【００３７】カメラ部２２は、レーザ光源部２から出射
されたレーザ光Ｌのうち、ビームスプリッタＢＳ３で分
岐され、ビームスプリッタＢＳ１２、ＢＳ１２および対
物レンズ２４を介してウェハＷに入射してレーザ光によ
って得られる一括照明画像やランプ等の照明画像を観察
するために設けられている。結像レンズ２２は、カメラ
部２２にウェハＷの画像を結像させるためのレンズであ
る。

【００３８】上記構成の重ね合わせ精度測定装置１で
は、たとえば、積層膜構造を有するウェハＷをステージ
２５に搭載し、このウェハＷに、光周波数シフター部６
で周波数がシフトした測定用レーザ光Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃
をレーザ走査部１１で走査し対物レンズ２４を介してウ
ェハＷに照射する。ウェハＷから反射した反射光は、対
物レンズ２４を介して光周波数シフター部６で周波数が
シフトした参照用レーザ光Ｌ₀ とともに共焦点ピンホー
ル板１３の共焦点ピンホール１３ａを経て光検出部１２
で受光される。すなわち、重ね合わせ精度測定装置１
は、ウェハＷから反射した反射光は、参照用レーザ光Ｌ
₀ と重ね合わされ、この重ね合わせ光のうなり（光の強
度が差周波数で時間的に変化する現象）を光検出部１２
で検出する光ヘテロダイン検出を行う。これと同時に、
重ね合わせ光は、共焦点ピンホール１３ａを通過するこ
とによって、共焦点検出される。

【００３９】光ヘテロダイン検出は、周波数の異なる二
つのレーザ光を干渉させ、これを光検出器によって受光
し、接近した周波数を持つ光波の重ね合わせによって生
ずる差周波数のうなりを発生させ、このうなりの位相変
化から距離を測定する検出方法である。光ヘテロダイン
検出を用いることにより、コントラスト特性および検出
光のＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、重ね合
わせ精度測定装置１では、光ヘテロダイン検出を用いる
ことにより、微弱光での測定が可能となり、レーザ光源
部２に遠紫外レーザ光源３を用いることが可能となる。
短波長の遠紫外レーザ光を用いることにより、光学分解
能を向上させることができる。

【００４０】共焦点検出は、反射光をピンホールやスリ
ット等の開口を通過させて受光し、反射光強度分布の中
央部を含む一部の範囲の強度を検出する検出方法であ
り、反射光に付随する各種のノイズ光が受光面に入らな
いようにカットし、いわゆるエアリーディスク内の強度
のみを測定するため、像のコントラスト特性を向上する
ことができ、光学分解能を向上させることができる。

【００４１】次に、上記構成の重ね合わせ精度測定装置
１を用いた各パターンの重なり具合の検査方法の一例に
ついて説明する。ここでは、図３を参照して、積層膜構
造を有する半導体デバイスの製造過程において、集積回
路プロセス、たとえば、アルミニウム配線工程でのウェ
ハＷ上のシリコンオキサイドからなるパターンＳＰ上の
アルミニウムからなる配線パターンＡＰと、レジストパ
ターンＲＰとの重ね合わせによる位置ずれを検査する場
合を例に説明する。

【００４２】まず、重ね合わせ精度測定装置１のステー
ジ２５上に、ウェハＷを搭載する。ウェハＷの所定のア
ライメントを行い、ステージ２５を所定の位置に移動す
る。

【００４３】この状態で、ウェハＷに、光周波数シフタ
ー部６の音響光学変調器ＡＯＭ１，ＡＯＭ２，ＡＯＭ３
で周波数がシフトした測定用レーザ光Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃
をレーザ走査部１１によってＸ方向に走査し、対物レン
ズ２４を介してウェハＷに照射する。 対物レンズ２４
を介して照射された測定用レーザ光Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ
₃は、ウェーハＷに対して図２において説明したよう
に、異なる焦点位置ｆ１，ｆ２，ｆ３で焦点を形成す
る。

【００４４】図３は、ウェハＷ上に積層されたパターン
の断面構造と上記した解析部２１において生成されたコ
ントラスト波形の一例とを示しており、（ａ）は焦点位
置ｆ１、（ｂ）は焦点位置ｆ２、（ｃ）は焦点位置ｆ３
におけるコントラスト波形を示している。図３（ａ）〜
（ｃ）からわかるように、各コントラスト波形は、各焦
点位置ｆ１、ｆ２、ｆ３の近傍の形状を反映した波形と
なるが、各焦点位置ｆ１、ｆ２、ｆ３から離れた位置の
形状は反映していない。このため、各コントラスト波形
からは、ウェハＷ上の積層されたパターンの立体形状は
特定できない。

【００４５】このため、解析部２１では、各焦点位置ｆ
１、ｆ２、ｆ３における各コントラスト波形を合成す
る。図３（ｄ）は各焦点位置ｆ１、ｆ２、ｆ３における
各コントラスト波形を合成したコントラスト波形を示し
ている。図３（ｄ）からわかるように、各焦点位置ｆ
１、ｆ２、ｆ３における各コントラスト波形を合成する
と、ウェハＷ上に積層されたパターンの断面構造を反映
したコントラスト波形を得ることができる。この結果、
ウェハＷ上に積層されたパターンの立体形状を特定する
ことが可能となる。

【００４６】このように、ウェハＷからの反射光は、各
焦点位置ｆ１、ｆ２、ｆ３におけるウェハＷ上の積層膜
構造を形成する各パターンの段差に応じた情報をそれぞ
れにもつ。したがって、解析部２１においてコントラス
ト波形を解析することで、各パターンの段差のエッジ位
置を求めることができる。合成されたコントラスト波形
に基づいて、パターンＡＬを検出し、そのパターンＡＬ
のエッジ位置（段差部分）を求める。同様に、レジスト
パターンＲＰを検出し、レジストパターンＲＰのエッジ
位置を求める。次いで、解析部２１において、各パター
ンＡＬ、ＲＰの、重ね合わせによる位置ずれ量を算出す
る。

【００４７】位置ずれ量の算出に関しては、たとえば、
パターンＡＬのエッジの相互の中心位置と、レジストパ
ターンＲＰのエッジ間の中心位置との差を求めるなどの
方法を採ることができる。上述の処理を、半導体ウェー
ハＷのＹ方向についても同様に実施することにより、積
層膜構造を形成する各パターンＡＬ，ＲＰの重なり具合
を正確に検出することが可能となる。

【００４８】上記したように、本実施形態に係る重ね合
わせ精度測定装置１によれば、従来の二次元画像の重ね
合わせ精度測定装置では正確に計測できなかった段差の
大きいレジストパターンＲＰとアルミニウムのパターン
ＡＰの立体形状を正確に測定でき、この結果、レジスト
パターンＲＰとパターンＡＰとの重ね合わせずれを正確
に測定できる。また、本実施形態では、共焦点検出によ
って、光学分解能を向上させ、光ヘテロダイン検出と複
数の焦点位置における同時検出によって、リアルタイム
な三次元測定ができる。特に、本実施形態の重ね合わせ
精度測定装置１によれば、ＬＳＩなどの微細化が進む半
導体デバイスの製造において、平坦化された積層膜構造
の各パターンの、重ね合わせによる位置ずれをも容易に
検査することが可能となる。なお、上述した実施形態に
おいて、光周波数シフターは音響光学変調器を３個用い
たが、さらに個数を多くすると重ね合わせ精度を向上さ
せることができる。

【００４９】また、光周波数シフター部６には、たとえ
ば、音響光学偏向器(Acousto-OpticDeflector ；ＡＯ
Ｄ）や表面弾性波(Surface Acoustic Wave；ＳＡＷ）素
子による音響光学変調器などを用いてもよい。また、重
ね合わせ精度測定装置１は、アルミニウムの配線工程で
の、レジストパターンＲＰとアルミニウムのパターンＡ
Ｐとの各パターンの重ね合わせずれを検査する場合に限
らず、各種工程での、さまざまな積層膜構造の半導体デ
バイスにおける、各種パターンの重ね合わせ精度を測定
検査する場合に適用できる。

【００５０】また、本実施形態によれば、光検出器１２
に共焦点ピンホール板１３を設けて反射光の強度を共焦
点検出することにより、光学分解能を向上させ、コント
ラスト特性を向上させることができる。また、周波数の
異なる測定用レーザ光と参照用レーザ光とを重ね合わ
せ、測定用レーザ光と参照用レーザ光との干渉によって
発生する差周波数のうなりを光検出器１２で検出する光
ヘテロダイン検出を用いることにより、コントラスト波
形の精度が向上し、かつ検出する光のＳ／Ｎを向上させ
ることができる。また、本実施形態によれば、光ヘテロ
ダイン検出を用いることにより、レーザ光に比較的微弱
光を用いても精度の良いコントラスト波形が得られるた
め、レーザ光に比較的波長の短い遠紫外線レーザ光を使
用でき、光学分解能をさらに向上させることができる。

【００５１】また、従来においては、立体的な形状を得
るためには、たとえば、ウェハを保持するステージを測
定用レーザの入射方向に移動させながら複数の二次元画
像を取得し、これらの画像を合成することにより立体画
像を合成する構成としているため、立体的な形状を得る
のに時間を要し、ステージを移動させるため得られる画
像の精度も低下するが、本実施形態では、立体的な形状
を瞬時に得ることができ、得られる画像の精度も高いも
のとなる。また、本実施形態では、光周波数シフター部
６には、測定用レーザ光を生成するために音響光学変調
器を３個用いたが、さらに個数を多くすると、さらに高
精度なコントラスト波形を得ることができ、重ね合わせ
精度測定を一層向上させることができる。

【００５２】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れない。たとえば、共焦点ピンホール板１３を用いず共
焦点検出を行わない構成とすることもできる。この場合
には、共焦点検出を行わないためコントラスト特性は多
少低下するが、装置構成を簡略化することができる。ま
た、上述した実施形態では、複数の音響光学変調器ＡＯ
Ｍ１〜ＡＯＭ３を用いて、ウェハＷ上に異なる焦点位置
を形成したが、たとえば、単一の音響光学変調器ＡＯＭ
を用いて複数の焦点を形成しない構成とすることも可能
である。たとえば、ウェハＷの表面形状が比較的浅い段
差部を有する場合には、共焦点検出と光ヘテロダイン検
出とによって、コントラスト特性が向上したコントラス
ト波形を得ることができ、表面形状を正確に特定するこ
とができる。また、本発明は、半導体装置の重ね合わせ
精度の測定のみならず、様々な微細な測定物の形状の測
定に適用することが可能である。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、光ヘテロダイン検出を
用いることにより微弱光での計測が可能となり、レーザ
光源に遠紫外線レーザを使用できる。また、本発明によ
れば、複数の異なる焦点を形成して、各焦点位置でのコ
ントラスト波形を求めることにより、リアルタイムな３
次元形状の測定が可能となり、かつ測定時間の短縮も図
れる。また、本発明によれば、複数の異なる焦点を立体
的な被検体の深さ方向に移動させながら繰り返すことに
より高精細な立体情報が得られ、三次元画像観察にも応
用できる。たとえば、アスペクト比の大きいコンタクト
ホールの穴底の観察、測定も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る半導体検査装置の構
成を示す図である。

【図２】複数の測定用レーザ光を対物レンズで集光して
異なる複数の焦点を形成した状態を示す図である。

【図３】ウェハ上に積層されたパターンの断面構造と解
析部２１において生成されたコントラスト波形の一例と
を示す図である。

【図４】重ね合わせによる各パターンの位置ずれを検査
する二次元画像の重ね合わせ精度測定装置の構成の要部
を概略的に示す図である。

【図５】重ね合わせ精度測定装置による検査に用いられ
るボックスマークＢＭの形状を概略的に示す図であっ
て、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。

【図６】ボックスマークＢＭとその反射光像から求めら
れるコントラスト波形との関係を示す図である。

【図７】（ａ）は積層膜構造を有する半導体デバイスの
製造過程における断面図であり、（ｂ）はそのコントラ
スト波形を示す図である。

【符号の説明】 １…重ね合わせ精度測定装置、２…レーザ光源部、３…
遠紫外レーザ光源、４…可視光レーザ光源、６…光周波
数シフター部、１１…レーザ走査部、１２…光検出器、
１３…共焦点ピンホール板、２１…解析部、２２…カメ
ラ部、２３…結像レンズ、２４…対物レンズ、２５…ス
テージ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 AA09 CC01 FF01 FF08 GG22 GG55 GG70 HH01 HH03 HH05 HH08 HH09 HH10 JJ05 2F065 AA04 AA12 AA17 AA20 AA53 AA56 BB02 BB17 CC19 DD04 DD06 FF01 FF04 FF52 GG04 GG21 GG23 GG25 HH04 JJ01 JJ03 JJ05 JJ18 JJ19 JJ26 LL13 LL30 LL57 LL62 MM16 NN06 NN08 PP12 PP24

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光源部と、 前記レーザ光源部から放射されたレーザ光が入力され、
   レーザ光を互いに異なる接近した周波数を有する複数の
   測定用レーザ光と参照用レーザ光とに変換して出力する
   光周波数変更手段と、 前記光周波数変更手段から出力された測定用レーザ光が
   同一の光路を通じて入射され、当該測定用レーザ光を被
   測定対象物上に集光して前記各測定用レーザ光に対応し
   た複数の異なる焦点を形成する集光手段と、 前記集光された測定用レーザ光を被測定対象物上で走査
   する走査手段と、 前記測定用レーザ光の前記被測定対象物からの反射光と
   前記参照用光とを重ね合わせる重ね合わせ手段と、 前記反射光と前記参照用光との重ね合わせ光が入射さ
   れ、当該重ね合わせ光の光強度を共焦点検出する受光手
   段と、 前記受光手段の検出した光強度に基づいて、前記各焦点
   位置での前記走査方向のコントラスト波形を生成し、前
   記各コントラスト波形を合成するコントラスト波形生成
   手段とを有する形状測定装置。
2. 【請求項２】前記受光手段は、前記重ね合わせ光を受光
   する受光素子と、 前記重ね合わせ光の前記受光素子への入射光路に設けら
   れた前記重ね合わせ光の光強度を共焦点検出するための
   開口を有する開口板とを有する請求項１に記載の形状測
   定装置。
3. 【請求項３】前記レーザ光源部は、可視帯域の可視レー
   ザ光と、遠紫外線帯域の遠紫外レーザ光とを選択的に出
   力可能である請求項１に記載の形状測定装置。
4. 【請求項４】前記重ね合わせ手段は、前記光周波数変更
   手段から出力される参照用レーザ光を前記受光手段に反
   射させ、前記各測定用レーザ光と同一の光路を遡って入
   射する前記被測定対象物からの反射光を透過して前記受
   光手段に入射させるビームスプリッタを有する請求項１
   に記載の形状測定装置。
5. 【請求項５】前記光周波数シフト手段は、それぞれ異な
   る周波数の超音波によって前記レーザ光源部から放射さ
   れるレーザ光の周波数を変える複数の音響光学変調手段
   を有する請求項１に記載の形状測定装置。
6. 【請求項６】レーザ光源と、 前記レーザ光源から放射されたレーザ光が入力され、レ
   ーザ光を互いに異なる接近した周波数を有する複数の測
   定用レーザ光と参照用レーザ光とに変換して出力する光
   周波数変更手段と、 前記光周波数変更手段から出力された測定用レーザ光が
   同一の光路を通じて入射され、当該測定用レーザ光を被
   測定対象物上に集光して前記各測定用レーザ光に対応し
   た複数の異なる焦点を形成する集光手段と、 前記集光された測定用レーザ光を被測定対象物上で走査
   する走査手段と、 前記測定用レーザ光の前記被測定対象物からの反射光と
   前記参照用光とを重ね合わせる重ね合わせ手段と、 前記反射光と前記参照用光との重ね合わせ光が入射さ
   れ、当該重ね合わせ光の光強度を検出する受光手段と、 前記受光手段の検出した光強度に基づいて、前記各焦点
   位置での前記走査方向のコントラスト波形を生成し、前
   記各コントラスト波形を合成するコントラスト波形生成
   手段とを有する形状測定装置。
7. 【請求項７】レーザ光源と、 前記レーザ光源から放射されたレーザ光が入力され、レ
   ーザ光を互いに異なる接近した周波数を有する複数の測
   定用レーザ光と参照用レーザ光とに変換して出力する光
   周波数変更手段と、 前記光周波数変更手段から出力された測定用レーザ光を
   被測定対象物上に集光して焦点を形成する集光手段と、 前記集光された測定用レーザ光を被測定対象物上で走査
   する走査手段と、 前記測定用レーザ光の前記被測定対象物からの反射光と
   前記参照用光とを重ね合わせる重ね合わせ手段と、 前記反射光と前記参照用光との重ね合わせ光が入射さ
   れ、当該重ね合わせ光の光強度を共焦点検出する受光手
   段と、 前記受光手段の検出した光強度に基づいて、前記焦点位
   置での前記走査方向のコントラスト波形を生成するコン
   トラスト波形生成手段とを有する形状測定装置。
8. 【請求項８】前記受光手段は、重ね合わせ光の入射光路
   に前記重ね合わせ光の光強度を共焦点検出するための開
   口を有する開口板を有する請求項７に記載の形状測定装
   置。
9. 【請求項９】レーザ光源から放射されたレーザ光を互い
   に異なる接近した周波数を有する複数の測定用レーザ光
   と参照用光とに変換し、 前記複数の測定用レーザ光を同一の光路を通じて被測定
   対象物上に集光して前記各測定用レーザ光に対応した複
   数の異なる焦点を形成し、かつ、前記被測定対象物上で
   走査し、 前記測定用レーザ光の前記被測定対象物からの反射光と
   参照用光とを重ね合わせ、当該重ね合わせ光の光強度を
   共焦点検出し、 検出された前記光強度に基づいて、前記各焦点位置での
   前記走査方向のコントラスト波形を生成し、 前記各コントラスト波形を合成して、前記被測定対象物
   の前記走査方向の表面形状を特定する形状測定方法。
10. 【請求項１０】前記レーザ光に遠紫外線帯域の遠紫外レ
    ーザ光を用いる請求項９に記載の形状測定方法。
11. 【請求項１１】前記レーザ光に前記被測定対象物の種類
    に応じて遠紫外線帯域の遠紫外レーザ光および可視帯域
    の可視レーザ光のいずれかを選択して用いる請求項９に
    記載の形状測定方法。
12. 【請求項１２】レーザ光源から放射されたレーザ光を互
    いに異なる接近した周波数を有する複数の測定用レーザ
    光と参照用光とに変換し、 前記複数の測定用レーザ光を同一の光路を通じて被測定
    対象物上に集光し、前記各測定用レーザ光に対応した複
    数の異なる焦点を形成し、かつ、前記被測定対象物上で
    走査し、 前記測定用レーザ光の前記被測定対象物からの反射光と
    参照用光とを重ね合わせ、当該重ね合わせ光の光強度を
    検出し、 検出された前記光強度に基づいて、前記焦点位置での前
    記走査方向のコントラスト波形を生成し、 前記各コントラスト波形を合成して、前記被測定対象物
    の前記走査方向の表面形状を特定する形状測定方法。
13. 【請求項１３】レーザ光源から放射されたレーザ光を互
    いに異なる接近した周波数を有する測定用レーザ光と参
    照用光とに変換し、 前記測定用レーザ光を被測定対象物上に集光して焦点を
    形成し、かつ、前記被測定対象物上で走査し、 前記測定用レーザ光の前記被測定対象物からの反射光と
    参照用光とを重ね合わせ、当該重ね合わせ光の光強度を
    検出し、 検出された前記光強度に基づいて、前記焦点位置での前
    記走査方向のコントラスト波形を生成し、前記被測定対
    象物の前記走査方向の表面形状を特定する形状測定方
    法。