JP2002124458A - 重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 第１マークによって膜の表面に浮き出た疑似
マークが非対称な形状であっても第１パターンと第２パ
ターンとの重ね合わせ状態を高精度に検査する。 【解決手段】 被検物体(11)の第１マークと第２マーク
とを含む領域の画像に基づいて、第２マークおよび疑似
マークの位置を検出する検出手段(15)と、疑似マークと
第１マークとの位置ずれ量を推定する推定手段(15,16)
と、検出手段および推定手段の結果に基づいて第１マー
クと第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出手
段(16)とを備える。推定手段は、画像の所定方向に沿っ
た濃度変化の中で疑似マークに対応する複数の変化部分
を用い、各々の変化部分において濃度変化を特徴づける
複数の点を選び出し、選び出された点間の濃度差に基づ
いて所定方向に沿った位置ずれ量を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子や液晶
表示素子の製造工程において、基板の上に形成された複
数のパターンの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検
査装置および重ね合わせ検査方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、半導体素子や液晶表示素
子の製造工程では、マスク(レチクル)に形成された回路
パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジス
ト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程と
を経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパター
ン）が転写され、このレジストパターンをマスクとして
エッチングや蒸着などを行うことにより(加工工程)、レ
ジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パタ
ーンが転写される（パターン形成工程）。

【０００３】次いで、上記所定の材料膜に形成された回
路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同
様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工
程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜
の回路パターンが基板の上に積層され、半導体素子や液
晶表示素子の回路が形成される。ところで、あるパター
ン形成工程でのレジストパターンが１つ前のパターン形
成工程で形成された回路パターン（以下「下地パター
ン」という）に対し、正確に重ね合わされていないこと
がある。そのままパターン形成工程の処理を続け、レジ
ストパターンを介して材料膜を加工すると、下地パター
ンに対する重ね合わせ状態の不正確な回路パターンが形
成され、不良品（性能の悪い素子または機能しない素
子）となってしまう。

【０００４】このため従来より、下地パターンに対する
レジストパターンの重ね合わせ検査が行われている。重
ね合わせ検査においては、下地パターンの基準位置を示
す下地マークと、レジストパターンの基準位置を示すレ
ジストマークとが用いられる。これらの下地マーク,レ
ジストマークも、上記したパターン形成工程において下
地パターン,レジストパターンと同時に形成される。

【０００５】図４(ａ)は、１つ前のパターン形成工程で
下地マーク４１が形成されたウエハ４０の断面図であ
る。下地マーク４１は対をなす２つの凹部４１ａ,４１
ｂからなる。図４(ｂ)〜(ｆ)は、次のパターン形成工程
を示す断面図である。このパターン形成工程において、
ウエハ４０の表面４０ａ全体には蒸着やスパッタなどに
より所定の材料膜４２が形成され((ｂ)の状態)、次い
で、材料膜４２の表面４２ａ全体にレジスト膜４３が塗
布される((ｃ)の状態)。そして、レジスト膜４３を露光
・現像することにより、レジストパターン(不図示)とレ
ジストマーク４４とが形成される((ｄ)の状態)。レジス
トマーク４４は対をなす２つの凸部４４ａ,４４ｂから
なる。

【０００６】下地パターン(不図示)に対するレジストパ
ターン(不図示)の重ね合わせ検査は、図４(ｄ)の状態に
おいて、レジストマーク４４の位置（例えば凸部４４
ａ,４４ｂの中心位置Ａ）と下地マーク４１の位置（例
えば凹部４１ａ,４１ｂの中心位置Ｂ）とのずれ量（重
ね合わせずれ量）Δを検出することにより行われる。具
体的には、レジストマーク４４と下地マーク４１とを含
む領域４５の画像を取り込み、この画像に現れたエッジ
の位置から重ね合わせずれ量Δを検出する（例えば特開
平10-122814号公報）。エッジとは濃度値が急激に変化
する箇所である。そして、重ね合わせずれ量Δが許容範
囲内であれば材料膜４２に対するエッチング加工を行い
((ｅ)の状態)、逆に重ね合わせずれ量Δが許容範囲を超
えて大きければ、材料膜４２を加工せずに全てのレジス
ト膜（レジストマーク４４を含む）を取り除く((ｂ)の
状態)。

【０００７】すなわち、下地マーク４１に対するレジス
トマーク４４の重ね合わせ状態が不正確な場合には、レ
ジスト膜４３の塗布や露光・現像をやり直し((ｃ),(ｄ)
の状態)、下地マーク４１に対するレジストマーク４４
の重ね合わせ状態が正確な場合のみ材料膜４２をエッチ
ングする((ｅ)の状態)。その後、全てのレジスト膜（レ
ジストマーク４４を含む）を取り除くことにより((ｆ)
の状態)、下地マーク４１の上にはレジストマーク４４
に応じた基準マーク４６（凸部４６ａ,４６ｂ）が形成
され、下地パターン(不図示)の上には正確な重ね合わせ
状態の回路パターン(不図示)が形成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の重ね合わせ検査では、領域４５（図４(ｄ)）の
画像に現れたエッジの位置から下地マーク４１の位置
（例えば凹部４１ａ,４１ｂの中心位置Ｂ）を検出する
ため、必ずしも正確な結果が得られるとは限らなかっ
た。

【０００９】領域４５の画像に現れるエッジは、下地マ
ーク４１自体の凹凸構造（凹部４１ａ,４１ｂ）による
ものではなく、下地マーク４１の凹凸構造によって材料
膜４２の表面４２ａに浮き出た凹凸構造（凹部４７ａ,
４７ｂ）のエッジだからである。そして、下地マーク４
１の位置に関する検出結果が不正確になるのは、材料膜
４２の表面４２ａに浮き出た凹部４７ａ,４７ｂ（総じ
て疑似マーク４７という）の形状が、凹部４１ａ上の部
分(凹部４７ａ)と凹部４１ｂ上の部分(凹部４７ｂ)とで
非対称な場合である。

【００１０】なお、材料膜４２が光を通す層の場合に
は、材料膜４２を介して下地マーク４１を観察できる。
しかし、材料膜４２の表面は、やはり下地マーク４１の
凹凸構造に応じた凹凸構造となるため、その影響によ
り、下地マーク４１の位置がずれて見えてしまうことに
なる。この場合も、凹部４７ａと凹部４７ｂの形状が非
対称であれば、検出結果が不正確となる。

【００１１】一般に、疑似マーク４７の凹部４７ａの形
状が下地マーク４１の凹部４１ａの形状と異なっている
場合、画像に現れるエッジの位置は、下地マーク４１自
体の凹部４１ａのエッジからずれている。疑似マーク４
７の凹部４７ｂの形状が下地マーク４１の凹部４１ｂの
形状と異なっている場合も同様であり、画像中のエッジ
は凹部４１ｂのエッジからずれた位置に現れる。

【００１２】ただし、画像に現れるエッジの位置ずれ
は、疑似マーク４７の凹部４７ａと凹部４７ｂとが対称
な形状（図５(ａ)参照）の場合には、下地マーク４１の
位置（例えば中心位置Ｂ）を検出する際に相殺される。
このため、画像に現れたエッジの位置に基づいて正確な
下地マーク４１の位置を検出できる。ところが、疑似マ
ーク４７の凹部４７ａと凹部４７ｂとが非対称な形状
（図５(ｂ)参照）の場合には、エッジの位置ずれを相殺
することができない。このため、下地マーク４１の位置
（例えば中心位置Ｂ）を正確に検出できない。下地マー
ク４１の位置が不正確であれば、当然、下地マーク４１
に対するレジストマーク４４の重ね合わせずれ量Δも不
正確になってしまう。

【００１３】ちなみに、疑似マーク４７の凹部４７ａと
凹部４７ｂとは、材料膜４２が化学的機械的研磨(Chemi
cal Mechanical Polishing)やスパッタリングなどの成
膜技術を用いて形成された場合に、非対称な形状（図５
(ｂ)参照）になりやすい。本発明の目的は、下地マーク
が材料膜で覆われた状態において、下地マークによって
材料膜の表面に浮き出た疑似マークが非対称な形状であ
っても、下地パターンとレジストパターンとの重ね合わ
せ状態を高精度に検査できる重ね合わせ検査装置および
重ね合わせ検査方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の重ね合わせ検査
装置(10)は、第１パターン上に膜(42)が形成され且つ該
膜上に第２パターンが形成された被検物体(11)の第１パ
ターンと第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する装
置である。被検物体には、第１パターンの基準位置を示
す第１マーク(41)と、第２パターンの基準位置を示す第
２マーク(44)とが形成されている。

【００１５】本発明の装置は、被検物体の第１マークと
第２マークとを含む領域(45)の画像を取り込む取込手段
(13,14)を備えている。画像に現れたエッジ群のうち、
膜を介して観察される第１マークに対応する複数のエッ
ジの位置に基づいたマークを疑似マーク(47)という。さ
らに、本発明の装置は、画像に基づいて第２マークおよ
び疑似マークの位置を検出する検出手段(15)と、画像に
基づいて疑似マークと第１マークとの位置ずれ量を推定
する推定手段(15,16)と、検出された第２マークおよび
疑似マークの位置と推定された位置ずれ量とに基づい
て、第１マークと第２マークとの重ね合わせずれ量を算
出する算出手段(16)とを備えたものである。

【００１６】検出手段は、画像に現れたエッジ群のう
ち、第２マークに対応する複数のエッジの位置に基づい
て第２マークの位置を検出し、疑似マークに対応する複
数のエッジの位置に基づいて疑似マークの位置を検出す
る。推定手段は、画像の所定方向に沿った濃度変化の中
で疑似マークに対応する複数の変化部分(57a,57b)を用
い、各々の変化部分において濃度変化を特徴づける複数
の点(a〜d)(e〜h)を選び出し、選び出された点間の濃度
差に基づいて所定方向に沿った位置ずれ量を推定する。

【００１７】このため、疑似マークが非対称な形状であ
っても、第１マークと第２マークとの重ね合わせずれ量
を正確に算出でき、この重ね合わせずれ量に基づいて第
１パターンと第２パターンとの重ね合わせ状態を高精度
に検査できる。本発明の重ね合わせ検査方法は、上記し
た被検物体の第１パターンと第２パターンとの重ね合わ
せ状態を検査する方法であり、被検物体の第１マークと
第２マークとを含む領域の画像を取り込む取込工程と、
画像に基づいて第２マークおよび疑似マークの位置を検
出する検出工程と、画像に基づいて疑似マークと第１マ
ークとの位置ずれ量を推定する推定工程と、検出された
第２マークおよび疑似マークの位置と推定された位置ず
れ量とに基づいて、第１マークと第２マークとの重ね合
わせずれ量を算出する算出工程とを備えたものである。

【００１８】検出工程では、画像に現れたエッジ群のう
ち、第２マークに対応する複数のエッジの位置に基づい
て第２マークの位置を検出し、疑似マークに対応する複
数のエッジの位置に基づいて疑似マークの位置を検出す
る。推定工程では、画像の所定方向に沿った濃度変化の
中で疑似マークに対応する複数の変化部分を用い、各々
の変化部分において濃度変化を特徴づける複数の点を選
び出し、選び出された点間の濃度差に基づいて所定方向
に沿った位置ずれ量を推定する。

【００１９】このため、疑似マークが非対称な形状であ
っても、第１マークと第２マークとの重ね合わせずれ量
を正確に算出でき、この重ね合わせずれ量に基づいて第
１パターンと第２パターンとの重ね合わせ状態を高精度
に検査できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
形態を詳細に説明する。

【００２１】本発明の実施形態は、請求項１〜請求項６
に対応する。本実施形態の重ね合わせ検査装置１０は、
図１に示すように、被検物体であるウエハ１１を載置す
る検査ステージ１２と、検査ステージ１２上のウエハ１
１を照明する照明光学系１３と、照明光学系１３によっ
て照明されたウエハ１１を観察する観察光学系１４と、
画像処理装置１５と、制御コンピュータ１６とで構成さ
れている。

【００２２】ウエハ１１には、複数の回路パターンが基
板の上に積層されている。最上層の回路パターンは、レ
ジスト膜に転写されたレジストパターンである。つま
り、ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成さ
れた下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工
程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料
膜に対するエッチング加工前）の状態にある。上記の下
地パターンは請求項の「第１パターン」に対応し、レジ
ストパターンは「第２パターン」に対応する。

【００２３】また、ウエハ１１には、下地パターンに対
するレジストパターンの重ね合わせ状態を検査する際に
用いられる重ね合わせマークも形成されている。重ね合
わせマークは、図２(ａ)に示すように、下地マーク４１
とレジストマーク４４とからなる。下地マーク４１は、
下地パターン(不図示)と同時に形成され、下地パターン
の基準位置を示している。レジストマーク４４は、レジ
ストパターン(不図示)と同時に形成され、レジストパタ
ーンの基準位置を示している。

【００２４】さらに、レジストマーク４４およびレジス
トパターン(不図示)と、下地マーク４１および下地パタ
ーン(不図示)との間には、図２(ｂ)に示すように、材料
膜４２が形成されている。図２(ｂ)は、図２(ａ)のＸ方
向に沿ったＣ−Ｃ断面を示す図である。材料膜４２は、
重ね合わせ検査装置１０での検査結果に基づいて、レジ
ストパターン(不図示)が下地パターン(不図示)に対し正
確に重ね合わされている場合のみ、レジストパターン
(不図示)を介して加工される（図４(ｅ)参照）。

【００２５】このように、重ね合わせ検査の対象となる
ウエハ１１には、下地マーク４１上に材料膜４２が形成
され且つ材料膜４２上にレジストマーク４４が形成さ
れ、材料膜４２の表面４２ａに、下地マーク４１の凹凸
構造による疑似マーク４７が浮き出ている。Ｘ方向に関
して言うと（図２(ｂ)）、レジストマーク４４は対をな
す２つの凸部４４ａ,４４ｂからなる。また、下地マー
ク４１は対をなす２つの凹部４１ａ,４１ｂからなり、
疑似マーク４７も対をなす２つの凹部４７ａ,４７ｂか
らなる。この疑似マーク４７の凹部４７ａと凹部４７ｂ
とは、材料膜４２が化学的機械的研磨法やスパッタリン
グ法を用いて形成された場合に、非対称な形状（図５
(ｂ)）になりやすい。

【００２６】さて、重ね合わせ検査装置１０の検査ステ
ージ１２（図１）は、ウエハ１１を水平状態に保持する
と共に、水平面内で任意の位置に移動可能である。検査
ステージ１２を移動させることにより、ウエハ１１の重
ね合わせマーク(レジストマーク４４,下地マーク４１)
を含む領域４５（図２(ａ),(ｂ)）が観察光学系１４の
視野内に位置決めされる。検査ステージ１２の法線方向
をＺ方向、ウエハ１１の載置面をＸＹ面とする。

【００２７】照明光学系１３は、光源２１と照明レンズ
２２とプリズム２３とで構成され、プリズム２３が観察
光学系１４の光軸Ｏ１上に配置される。観察光学系１４
の光軸Ｏ１はＺ方向に平行である。プリズム２３の反射
透過面２３ａは、光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられて
いる。照明光学系１３の光軸Ｏ２は、観察光学系１４の
光軸Ｏ１に垂直である。

【００２８】観察光学系１４は、対物レンズ２４と結像
レンズ２５とＣＣＤ撮像素子２６とで構成され、対物レ
ンズ２４が検査ステージ１２とプリズム２３との間に配
置される。結像レンズ２５およびＣＣＤ撮像素子２６
は、プリズム２３を挟んで対物レンズ２４とは反対側に
配置される。上記の照明光学系１３および観察光学系１
４において、光源２１から射出された光は照明レンズ２
２とプリズム２３とを介して対物レンズ２４に導かれ、
対物レンズ２４を通過して照明光Ｌ１となる。照明光Ｌ
１は、光軸Ｏ１に略平行な光であり、検査ステージ１２
に載置されたウエハ１１の領域４５（図２(ａ),(ｂ)）
を略垂直に照明する。

【００２９】ウエハ１１の領域４５の凹凸構造に応じて
発生した光Ｌ２は、対物レンズ２４とプリズム２３とを
介して結像レンズ２５に導かれ、結像レンズ２５によっ
てＣＣＤ撮像素子２６の撮像面上に結像される。これに
より、ウエハ１１の領域４５の像が画像として取り込ま
れる。ウエハ１１の領域４５の画像は、ＣＣＤ撮像素子
２６から画像処理装置１５に出力される。

【００３０】ここで、ウエハ１１の領域４５の画像に
は、下地マーク４１の形状の影響を受けて材料膜４２の
表面４２ａに浮き出た凹凸構造（Ｘ方向については凹部
４７ａ,４７ｂ）による疑似マーク４７のエッジと、レ
ジストマーク４４の凹凸構造（Ｘ方向については凸部４
４ａ,４４ｂ）によるエッジとが現れる。材料膜４２が
不透明である場合には、下地マーク４１自体の凹凸構造
（Ｘ方向については凹部４１ａ,４１ｂ）によるエッジ
は、領域４５の画像に現れない。

【００３１】しかし、材料膜４２が透明である場合は、
材料膜４２を介して観察される下地マーク４１の凹凸構
造が領域４５の画像に現れる。この場合も、材料膜４２
の表面は下地マーク４１の形状の影響を受けて凹凸構造
となる。この凹凸構造の影響により、領域４５の画像に
現れる下地マーク４１の凹凸構造のエッジ位置は、実際
の位置からずれることとなる。このような場合に領域４
５の画像に現れる下地マーク４１も、上述と同様に「疑
似マーク」として以下説明を続ける。

【００３２】画像処理装置１５は、ウエハ１１の領域４
５の画像に現れたエッジ群のうち、レジストマーク４４
の凹凸構造による複数のエッジの位置に基づいて、レジ
ストマーク４４の位置Ｗrを検出する。また、疑似マー
ク４７の凹凸構造による複数のエッジの位置に基づい
て、疑似マーク４７の位置Ｗgを検出する。このとき検
出された疑似マーク４７の位置Ｗgは、疑似マーク４７
の凹凸構造（Ｘ方向については凹部４７ａと凹部４７ｂ
と）が対称な形状（図５(ａ)参照）であれば下地マーク
４１の位置Ｗsに一致し、非対称な形状（図５(ｂ)参
照）の場合には下地マーク４１の位置Ｗsからずれてし
まう。

【００３３】疑似マーク４７の位置Ｗgが下地マーク４
１の位置Ｗsからずれている場合、レジストマーク４４
の位置Ｗrと疑似マーク４７の位置Ｗgとのずれ量に基づ
いて、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパタ
ーンの重ね合わせ状態を検査しようとしても、正確な結
果は得られない。そこで、本実施形態の重ね合わせ検査
装置１０では、制御コンピュータ１６が疑似マーク４７
と下地マーク４１との位置ずれ量(δ)を推定し、推定し
た位置ずれ量(δ)を用いて補正することにより、ウエハ
１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合
わせずれ量を正確に検出する（詳細は後述する）。

【００３４】そして、画像処理装置１５は、制御コンピ
ュータ１６が疑似マーク４７と下地マーク４１との位置
ずれ量(δ)を推定するに備えて、疑似マーク４７の凹凸
構造（Ｘ方向については凹部４７ａと凹部４７ｂと）が
どの程度非対称な形状となっているかを示す特徴量を検
出し、制御コンピュータ１６に出力する。非対称な形状
を示す特徴量の検出に当たって、画像処理装置１５は、
ウエハ１１の領域４５の画像のうち、所定方向に沿った
濃度値の変化を参照する。

【００３５】ちなみに、Ｘ方向に沿った濃度値の変化に
は、図２(ｃ)に示すように、疑似マーク４７の２つの凹
部４７ａ,４７ｂに対応する波形部分５７ａ,５７ｂと、
レジストマーク４４の２つの凸部４４ａ,４４ｂに対応
する波形部分５４ａ,５４ｂとが現れる。このうち波形
部分５７ａ,５７ｂの濃度値の変化に基づいて、疑似マ
ーク４７の凹部４７ａ,４７ｂの非対称な形状を示す特
徴量の検出が行われる。

【００３６】例えば、凹部４７ａ,４７ｂの非対称な形
状を示す特徴量として、(１)波形部分５７ａの外側の変
曲点ａと極小点ｂとを結ぶ線分ａｂの傾きＳ(ab)と、
(２)波形部分５７ａの外側の極小点ｂと内側の極小点ｃ
とを結ぶ線分ｂｃの傾きＳ(bc)と、(３)波形部分５７ａ
の内側の極小点ｃと変曲点ｄとを結ぶ線分ｃｄの傾きＳ
(cd)と、(４)波形部分５７ｂの内側の変曲点ｅと極小点
ｆとを結ぶ線分ｅｆの傾きＳ(ef)と、(５)波形部分５７
ｂの内側の極小点ｆと外側の極小点ｇとを結ぶ線分ｆｇ
の傾きＳ(fg)と、(６)波形部分５７ｂの外側の極小点ｇ
と変曲点ｈとを結ぶ線分ｇｈの傾きＳ(gh)とが検出され
る。

【００３７】Ｙ方向に沿った濃度値の変化についても同
様であり、疑似マーク４７の凹凸構造に対応する２つの
波形部分の濃度変化に基づいて、Ｙ方向に関する非対称
な形状を示す特徴量（傾き）が検出される。傾きとは、
２点間の濃度差と所定方向（Ｘ方向またはＹ方向）に沿
った距離との比で表される。以下、Ｘ方向を例に説明を
行う。Ｙ方向についてはＸ方向と同じであるため、説明
を省略する。

【００３８】上記６つの傾きＳ(ab),Ｓ(bc),Ｓ(cd),Ｓ
(ef),Ｓ(fg),Ｓ(gh)は、凹部４７ａ,４７ｂの非対称な
形状を示す特徴量として制御コンピュータ１６に出力さ
れる。上記したレジストマーク４４の位置Ｗrおよび疑
似マーク４７の位置Ｗgに関する検出結果も、制御コン
ピュータ１６に出力される。制御コンピュータ１６は、
６つの傾きＳ(ab),Ｓ(bc),Ｓ(cd),Ｓ(ef),Ｓ(fg),Ｓ(g
h)を次の補正式(１)に代入し、疑似マーク４７の凹部４
７ａ,４７ｂの形状が非対称なことに起因して生じる疑
似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量δを推定
する。補正式(１)に含まれるｋ(ab),ｋ(bc),ｋ(cd),ｋ
(ef),ｋ(fg),ｋ(gh),ｋｏは補正係数である。

【００３９】 δ＝[ｋ(ab)×Ｓ(ab)]＋[ｋ(bc)×Ｓ(bc)]＋[ｋ(cd)×Ｓ(cd)] ＋[ｋ(ef)×Ｓ(ef)]＋[ｋ(fg)×Ｓ(fg)]＋[ｋ(gh)×Ｓ(gh)]＋ｋｏ …(１) ここで、補正式(１)および補正係数ｋ(ab),ｋ(bc),ｋ(c
d),ｋ(ef),ｋ(fg),ｋ(gh),ｋｏは、ウエハ１１に対する
重ね合わせ検査に先立って予め決定され、制御コンピュ
ータ１６内のメモリに記憶されたものである。これらの
決定に当たっては、補正式決定用のテストウエハが用い
られ、重ね合わせ検査装置１０の検査ステージ１２に載
置される。このテストウエハには、ウエハ１１の重ね合
わせマーク（図２(ａ),(ｂ)）と同様の重ね合わせマー
クがｎ個形成されている。

【００４０】テストウエハの各重ね合わせマークは、順
次、観察光学系１４の視野内に位置決めされ、画像とし
て画像処理装置１５に取り込まれる。そして、画像処理
装置１５は、上記したウエハ１１に対する重ね合わせ検
査時と同様に、テストウエハの各重ね合わせマークにお
ける疑似マークの位置Ｔgiと、疑似マークの凹凸構造の
非対称な形状を示す特徴量（６つの傾きＳ(ab)i,Ｓ(bc)
i,Ｓ(cd)i,Ｓ(ef)i,Ｓ(fg)i,Ｓ(gh)i）とを検出する
（ｉ＝１,２,…,ｎ）。

【００４１】次に、テストウエハの各重ね合わせマーク
における下地マークの位置Ｔsiを検出するために、テス
トウエハの材料膜を実際にエッチングする（図４(ｅ)の
状態）。そして、エッチング後のテストウエハが改めて
検査ステージ１２に載置され、同様に、各重ね合わせマ
ークの画像が取り込まれる。このとき取り込まれた画像
には、下地マーク自体の凹凸構造によるエッジが現れ
る。したがって、画像処理装置１５では、各重ね合わせ
マークにおける下地マークの位置Ｔsiを直接検出できる
（ｉ＝１,２,…,ｎ）。

【００４２】制御コンピュータ１６では、テストウエハ
を用いて検出された疑似マークの位置Ｔgiと下地マーク
の位置Ｔsiとずれ量（Ｔgi−Ｔsi）を算出し、このずれ
量（Ｔgi−Ｔsi）が、疑似マークの凹凸構造の非対称な
形状を示す特徴量（傾きＳ(ab)i,Ｓ(bc)i,Ｓ(cd)i,Ｓ(e
f)i,Ｓ(fg)i,Ｓ(gh)i）の線形結合で表されると仮定し
て、次の関係式(２)をｎ個作成する（ｉ＝１,２,…,
ｎ）。

【００４３】 Ｔgi−Ｔsi＝[ｋ(ab)×Ｓ(ab)i]＋[ｋ(bc)×Ｓ(bc)i]＋[ｋ(cd)×Ｓ(cd)i]＋[ ｋ(ef)×Ｓ(ef)i]＋[ｋ(fg)×Ｓ(fg)i]＋[ｋ(gh)×Ｓ(gh)i]＋ｋｏ …(２) 関係式(２)に含まれる７つの未知パラメータ（補正係
数）ｋ(ab),ｋ(bc),ｋ(cd),ｋ(ef),ｋ(fg),ｋ(gh),ｋｏ
は、ｎ個の「Ｔgi,Ｔsi,Ｓ(ab)i,Ｓ(bc)i,Ｓ(cd)i,Ｓ(e
f)i,Ｓ(fg)i,Ｓ(gh)i」の組み合わせから（ｉ∈[１,２,
…ｎ]）、重回帰分析を用いて求められる。

【００４４】このように、上記した補正式(１)および補
正係数ｋ(ab),ｋ(bc),ｋ(cd),ｋ(ef),ｋ(fg),ｋ(gh),ｋ
ｏがウエハ１１に対する重ね合わせ検査に先立って予め
決定されているため、制御コンピュータ１６では、画像
処理装置１５によって検出された６つの傾きＳ(ab),Ｓ
(bc),Ｓ(cd),Ｓ(ef),Ｓ(fg),Ｓ(gh)を補正式(１)に代入
することで、疑似マーク４７と下地マーク４１との位置
ずれ量δを正確に推定することができる。

【００４５】さらに、制御コンピュータ１６では、画像
処理装置１５によって検出されたレジストマーク４４の
位置Ｗrと疑似マーク４７の位置Ｗgとのずれ量（Ｗr−
Ｗg）を算出し、このずれ量（Ｗr−Ｗg）を上記の補正
式(１)から推定された位置ずれ量δに基づいて補正する
ことで、下地マーク４１に対するレジストマーク４４の
重ね合わせずれ量（＝Ｗr−Ｗg＋δ）を正確に検出する
ことができる。

【００４６】上述したように、下地マーク４１は下地パ
ターンの基準位置を示し、レジストマーク４４はレジス
トパターンの基準位置を示すため、下地マーク４１に対
するレジストマーク４４の重ね合わせずれ量は、ウエハ
１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合
わせずれ量に等しい。したがって、本実施形態の重ね合
わせ検査装置１０によれば、下地パターンとレジストパ
ターンとの重ね合わせ状態を高精度に検査することがで
きる。重ね合わせ検査の精度が向上するので、製品の歩
留まりを実質的に向上させることができる。また、半導
体素子や液晶表示素子の高集積化にも対応できる。

【００４７】なお、位置ずれ量δに基づく補正に際し
て、取り込む画像数は変わらないので、演算時間に要す
る分だけ処理時間が増える程度であり、従来までの重ね
合わせ検査装置と比べて検査速度が殆ど変わらないとい
う利点もある。上記した実施形態では、６つの傾きＳ(a
b),Ｓ(bc),Ｓ(cd),Ｓ(ef),Ｓ(fg),Ｓ(gh)を補正式(１)
に代入することで、疑似マーク４７と下地マーク４１と
の位置ずれ量δを推定したが、本発明はこの例に限らな
い。

【００４８】６つの傾きＳ(ab),Ｓ(bc),Ｓ(cd),Ｓ(ef),
Ｓ(fg),Ｓ(gh)のうち、Ｓ(ab)とＳ(gh)とは対をなし、
Ｓ(bc)とＳ(fg)も対をなし、Ｓ(cd)とＳ(ef)も対をなす
ため、次の補正式(３)によって位置ずれ量δを推定して
もよい。ｋ(1),ｋ(2),ｋ(3),ｋ(4)は補正係数である。 δ＝ｋ(1)×[Ｓ(ab)＋Ｓ(gh)]＋ｋ(2)×[Ｓ(bc)＋Ｓ(fg)] ＋ｋ(3)×[Ｓ(cd)＋Ｓ(ef)]＋ｋ(4) …(３) また、上記した実施形態では、波形部分５７ａ,５７ｂ
の濃度変化を特徴づける点（ａ〜ｈ）のうち、隣り合う
点どうしで傾きを求めたが、例えば点ａと点ｃとで傾き
を求めたり、点ｂと点ｄとで傾きを求めたりしてもよ
い。この場合、一方の波形部分５７ａで求めた傾きと、
他方の波形部分５７ｂで求めた傾きとを、対にすること
が好ましい。例えば、点ａと点ｃとで傾きを求めるなら
ば、点ｈと点ｆとで傾きを求めて、対にすることが好ま
しい。

【００４９】さらに、上記した実施形態では、波形部分
５７ａ,５７ｂの濃度変化を特徴づける３対の傾きを用
いて、疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量
δを推定したが、対をなす傾きが１つ以上あれば同様に
位置ずれ量δを推定できる。また、上記した実施形態で
は、波形部分５７ａ,５７ｂの濃度変化を特徴づける点
として変曲点と極小点との２種類を用いたが、さらに極
大点を加えて３種類にしても良い。変曲点と極小点と極
大点との少なくとも１種類を用いれば、同様に位置ずれ
量δを推定できる。

【００５０】さらに、波形部分５７ａ,５７ｂの濃度変
化を特徴づける点として、波形部分５７ａ,５７ｂを所
定方向（例えばＸ方向）に一定の間隔でサンプルしたと
きに選び出される多数の点を用いても良い。また、波形
部分５７ａと波形部分５７ｂとを対称操作の後に重ね合
わせ、つまり、点ａ側と点ｈ側とを重ね合わせると共に
点ｄ側と点ｅ側とを重ね合わせ、この状態（図３）でサ
ンプルしたときに選び出される各点ｊ（ｊ＝１,２,…
ｍ）において、波形部分５７ａの濃度値Ｒａと、波形部
分５７ｂの濃度値Ｒｂとを求め、次の式(４)または式
(５)に代入することにより、疑似マーク４７の凹凸構造
の非対称な形状を示す特徴量Ｓを求めても良い。

【数１】 この場合、上記の特徴量Ｓから位置ずれ量δを推定する
際の補正式は、例えば次の式(６)で表される。ｋ(5),ｋ
(6)は補正係数であり、回帰分析をもちいて求められ
る。 δ＝[ｋ(5)×Ｓ]＋ｋ(6) …(６) さらに、上記した実施形態では、疑似マーク４７と下地
マーク４１との位置ずれ量δが、疑似マーク４７の凹凸
構造の非対称な形状を示す特徴量の線形結合で表される
例を説明したが、非対称な形状を示す特徴量の非線形結
合によって位置ずれ量δを表すこともできる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
疑似マークの形状が非対称であっても第１パターンと第
２パターンとの重ね合わせ状態を高精度に検査できるた
め、製品の歩留まりを実質的に向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の重ね合わせ検査装置１０の全体構
成図である。

【図２】ウエハ１１に形成された重ね合わせマークの上
面図(ａ)および断面図(ｂ)、重ね合わせマークの画像の
Ｘ方向に沿った濃度値の変化を示す図(ｃ)である。

【図３】図２(ｃ)の波形部分５７ａと波形部分５７ｂと
を対称操作の後に重ね合わせた状態を示す図である。

【図４】１つ前のパターン形成工程で下地マーク４１が
形成されたウエハ４０の断面図(ａ)と、次のパターン形
成工程を示す断面図(ｂ)〜(ｆ)である。

【図５】疑似マーク４７の凹部４７ａ,４７ｂの形状が
対称な場合(ａ)と非対称な場合(ｂ)とを説明する図であ
る。

【符号の説明】

１０ 重ね合わせ検査装置 １１ ウエハ １２ 検査ステージ １３ 照明光学系 １４ 観察光学系 １５ 画像処理装置 １６ 制御コンピュータ ２１ 光源 ２２ 照明レンズ ２３ プリズム ２４ 対物レンズ ２５ 結像レンズ ２６ ＣＣＤ撮像素子 ４１ 下地マーク ４２ 材料膜 ４３ レジスト膜 ４４ レジストマーク ４７ 疑似マーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA14 AA49 AA56 BB28 CC19 DD03 FF42 GG01 HH02 HH13 JJ03 JJ26 LL46 MM03 PP12 QQ17 QQ21 QQ29 QQ32 QQ38 4M106 AA01 AA20 CA50 DH12 DJ19 DJ20 5F046 EA03 EA04 EA09 EA12 EA18 EA24 EB01 EC05

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１パターン上に膜が形成され且つ該膜
   上に第２パターンが形成された被検物体の前記第１パタ
   ーンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する
   重ね合わせ検査装置であって、 前記第１パターンの基準位置を示す第１マークと前記第
   ２パターンの基準位置を示す第２マークとを含む領域の
   画像を取り込む取込手段と、 前記画像に現れたエッジ群のうち、前記第２マークに対
   応する複数のエッジの位置に基づいて前記第２マークの
   位置を検出し、前記膜を介して観察される前記第１マー
   クに対応する複数のエッジの位置に基づいた疑似マーク
   の位置を検出する検出手段と、 前記画像の所定方向に沿った濃度変化の中で前記疑似マ
   ークに対応する複数の変化部分を用い、各々の変化部分
   において濃度変化を特徴づける複数の点を選び出し、選
   び出された点間の濃度差に基づいて前記疑似マークと前
   記第１マークとの前記所定方向に沿った位置ずれ量を推
   定する推定手段と、 前記検出手段によって検出された前記第２マークおよび
   前記疑似マークの位置と、前記推定手段によって推定さ
   れた前記位置ずれ量とに基づいて、前記第１マークと前
   記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出手段
   とを備えたことを特徴とする重ね合わせ検査装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の重ね合わせ検査装置に
   おいて、 前記推定手段は、前記複数の点として、濃度変化の変曲
   点、極大点および極小点のうち少なくとも１種類を用い
   ることを特徴とする重ね合わせ検査装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の重ね合わせ検査装置に
   おいて、 前記推定手段は、前記複数の変化部分の各々において、
   前記選び出された点間の濃度差と前記所定方向に沿った
   距離とを求め、対応する前記濃度差と前記距離との比で
   表される傾きに基づいて前記位置ずれ量を推定すること
   を特徴とする重ね合わせ検査装置。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３の何れか１項に記
   載の重ね合わせ検査装置において、 前記濃度差と前記位置ずれ量との関係を示す補正式を作
   成する作成手段を備え、 前記推定手段は、前記作成手段によって予め作成された
   前記補正式にしたがって前記位置ずれ量を推定すること
   を特徴とする重ね合わせ検査装置。
5. 【請求項５】 第１パターン上に膜が形成され且つ該膜
   上に第２パターンが形成された被検物体の前記第１パタ
   ーンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する
   重ね合わせ検査方法であって、 前記第１パターンの基準位置を示す第１マークと前記第
   ２パターンの基準位置を示す第２マークとを含む領域の
   画像を取り込む取込工程と、 前記画像に現れたエッジ群のうち、前記第２マークに対
   応する複数のエッジの位置に基づいて前記第２マークの
   位置を検出し、前記膜を介して観察される前記第１マー
   クに対応する複数のエッジの位置に基づいた疑似マーク
   の位置を検出する検出工程と、 前記画像の所定方向に沿った濃度変化の中で前記疑似マ
   ークに対応する複数の変化部分を用い、各々の変化部分
   において濃度変化を特徴づける複数の点を選び出し、選
   び出された点間の濃度差に基づいて前記疑似マークと前
   記第１マークとの前記所定方向に沿った位置ずれ量を推
   定する推定工程と、 前記検出工程にて検出された前記第２マークおよび前記
   疑似マークの位置と、前記推定工程にて推定された前記
   位置ずれ量とに基づいて、前記第１マークと前記第２マ
   ークとの重ね合わせずれ量を算出する算出工程とを備え
   たことを特徴とする重ね合わせ検査方法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の重ね合わせ検査方法に
   おいて、 前記推定工程に先立って、前記濃度差と前記位置ずれ量
   との関係を示す補正式を作成する作成工程を備え、 前記推定工程では、前記作成工程にて予め作成された前
   記補正式にしたがって前記位置ずれ量を推定することを
   特徴とする重ね合わせ検査方法。