JP2008532320A - ２つの回折次数による画像化に基づいたターゲット取得およびオーバレイ測定 - Google Patents

Abstract

【解決手段】一実施形態では、取得ターゲットもしくはオーバレイまたはアライメント半導体ターゲット（４０４）を画像化するためのシステムが開示されている。そのシステムは、波長λを有する少なくとも１つの入射ビーム（４０２）を、特定のピッチｐを持つ構造を有する周期的なターゲット（４０４）に向けるためのビーム発生器を備える。少なくとも１つの入射ビーム（４０２）に応じて、複数の出力ビーム（４０６）が、周期的なターゲット（４０４）から散乱される。そのシステムは、さらに、ターゲット（４０４）からの第１および第２の出力ビーム（４１２ａ、４１２ｂ）のみを通すための結像レンズ系（４１０）を備える。画像化システムは、第１および第２の出力ビーム（４１２ａ、４１２ｂ）が、正弦波画像（４１４）を形成するように、捕捉されたビームの間の角度分離と、λと、ピッチとが選択されるよう適合される。そのシステムは、さらに、１または複数の正弦波画像（４１４）を画像化するためのセンサと、少なくとも１つの入射ビーム（４０２）を１または複数のターゲット（４０４）に向けるように、ビーム発生器を制御すると共に、１または複数の正弦波画像（４１４）を解析するための制御部とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に、半導体製造処理で利用される測定技術および検査技術に関し、特に、ウエハターゲットを取得して、半導体ウエハ積層体において、異なる層または同じ層上の異なるパターンの間のアライメント誤差を測定するための技術に関する。

ターゲットの取得は、半導体の光学検査および測定の際に最もよく利用される処理の１つである。半導体処理を試験するための検査または測定のレシピごとに、ターゲットへの正確な誘導と、検査すべき形状の特定および取得とが必要になる。現在、ターゲットの取得は、通例、実際の検査または測定動作が実行される位置に隣接してウエハの層と共にプリントされた特別な取得パターンによって実行される。これら取得パターンの画像は、画像化ツールによって取り込まれ、その後、解析アルゴリズムを用いて、取り込まれた画像が取得パターンを含むことを確認し、実際のウエハ上でのターゲット画像の座標を算出する。

ウエハにおけるオーバレイおよびアライメントの誤差の測定は、集積回路および素子の製造において用いられる最も重要なプロセス制御技術の１つである。オーバレイ精度は、一般に、第１のパターン層が、その上または下に配置された第２のパターン層に対してどれだけ正確に整列しているかを判断することに関する。アライメント誤差は、第１のパターンが、同じ層に配置された第２のパターンに対してどれだけ正確に整列しているかを判断することに関する。これらの用語、すなわち、オーバレイおよびアライメントは、本明細書では、交換可能に用いられている。現在、オーバレイおよびアライメントの測定は、ウエハの層と共にプリントされた試験パターンによって実行されている。これら試験パターンの画像は、画像化ツールによって取り込まれ、解析アルゴリズムを用いて、取り込まれた画像から、パターンの相対的な位置ずれが算出される。

従来技術では、入射ビームを対象物に向けるための光源を有する光学ツールによって、対象物が画像化される。ビームは、対象物によって反射および散乱され、ＣＣＤ（電荷結合素子）カメラなどの画像センサに向かう。具体的には、対象物から複数の光線がもたらされる。次に、光線は、通例、レンズを通過した後に、特定の平面（像平面と呼ばれる）において対象物の画像を形成する。最小量のピンぼけ、すなわち、最大の鮮明さを有するターゲットの焦点画像を実現するには、ＣＣＤカメラは、この特定の像平面の位置に配置される必要がある。

残念ながら、従来の機械的な移動機構では、取得動作やオーバレイ測定ごとに完全に最適な焦点位置にセンサを配置することは不可能である。すなわち、従来の方法の許容誤差では、取得動作またはオーバレイ測定ごとに最高の焦点を実現するために十分に正確な位置への移動を行うことが可能ではない。

さらに、画像化システムの光学収差により、画像の配置誤差が生じる。オーバレイターゲットについては、これらの配置誤差は、第１の層からの散乱光と第２の層からの散乱光とに対して異なる。収差による配置誤差の差は、オーバレイ測定の誤差を引き起こす。この収差によるオーバレイ誤差を最小限に抑えるためには、光学系の光軸に沿ってオーバレイターゲットを正確にセンタリングする必要がある。

したがって、ターゲット取得およびオーバレイ画像化のための機構の改良が求められている。さらに、画像センサの柔軟な配置（ｚ）を実現するターゲット画像化機構が有用である。また、オーバレイターゲットの柔軟な配置（ｘ，ｙ）を実現するオーバレイ測定機構も有用である。

したがって、光学画像化システムを用いて、ターゲット取得を判定するため、および、オーバレイまたはアライメント誤差を判定するための改良された機構が開示されている。一般に、そのシステムの照明は、特定の角度でのみ回折格子ターゲットに向けられ、結像レンズは、互いに干渉して正弦波画像を形成する対応した対の回折次数を捕捉するよう設定される。すなわち、結像レンズによって捕捉されるすべての光線が、画像化情報に利用される。一実施形態では、コヒーレントであるために、互いに干渉して正弦波画像を形成する０次および１次の回折次数の２つの対が用いられる。本発明の実施形態で画像化される出力ビームのすべてが、画像に寄与するため、ＤＣ背景ノイズが少なくなる。したがって、従来の他の型の画像化システムよりも、コントラストが改善される。オーバレイ測定の用途では、本発明の実施形態は、従来のオーバレイ判定技術および装置よりも、高い精度を有すると共に、光学収差への感受性が低いためにツール起因シフトが低減される。

本発明の原理を例示した添付図面との関連で行う以下の詳細な説明から、本発明の上述およびその他の特徴と利点がさらに詳しく示されている。

次に、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。添付の図面には、この実施形態が例示されている。以下では、この具体的な実施形態を参照しつつ本発明を説明するが、本発明を一実施形態に限定する意図はない。逆に、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲内に含まれる代替物、変形物、および、均等物を網羅するよう意図されている。以下では、本発明を十分に理解できるよう、多くの具体的な詳細事項を説明する。しかしながら、本発明は、これらの詳細事項の一部または全てがなくとも実施可能である。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の処理動作については詳しく説明していない。

一般に、本発明の実施形態は、周期的な取得ターゲットまたはオーバレイターゲットから散乱され、波長、および、２つのビーム間の分離角度が、ターゲットのピッチにほぼ適合されて、ほぼ純粋な正弦波の画像を形成させるような２つの散乱ビームのみを用いて画像化を行うことにより、ターゲットの取得もしくはオーバレイ（または、アライメント）の判定を行うための機構を提供する。この正弦波画像の焦点深度は、非常に大きい。したがって、画像センサの位置は、柔軟であり、１つの像焦点面の位置に正確に配置される必要はない。すなわち、センサは、結像レンズの後ろの一連の複数の位置のいずれに配置されても、焦点の良好な像平面に存在することが可能である。以下の実施形態は、異なる層上の構造間でのオーバレイ誤差を判定するための技術に適用される例として説明されているが、これらの実施形態は、同じ層における２つの構造間のアライメント誤差を判定するための技術、または、同じ層における構造のターゲット取得のための技術にも適用可能である。

２つのコヒーレントな平面波が干渉すると、その結果として生じる強度分布は、式１によって与えられる空間周期を有する。

ここで、θ₁は、第１の波と像平面への垂線との間の角度分離であり、θ₂は、第２の波と像平面への垂線との間の角度分離であり、λは、光の波長である。かかる２つのビームの干渉の結果として生じる画像は、周期（ピッチ）ｐを有する単純な正弦波である。

２つの干渉するコヒーレントな平面波が、像平面への垂線に関して対象であり、それぞれ、波と像平面への垂線との間の角度分離が｜θ｜である場合には、式１は、式２のようになる。

ここで、２θは、それらの波の間での角度分離であり、λは、光の波長である。この関係を図１に示す。２つの光線が干渉すると、結果として生じる画像は、正弦波になる。さらに、焦点深度が無限大になるため、結果として生じる正弦波画像は、一連の像平面にわたって形成される。図２に示すように、画像を形成する光線の間の相対位相は、焦点の変化に伴って変わることがない。したがって、理論的には、特定の深度または像平面に焦点を合わせる必要はなく、対象物から任意の深度に結像することができる。結果として、センサの位置が柔軟になり、対象物から任意の距離にセンサを配置することができる。

しかしながら、実際には、ターゲットに当たる時に、入射ビームの角度およびスペクトルが両方とも拡散する。さらに、周期的なターゲットは、サイズが限定される。したがって、焦点深度は無限大ではないものの、特定の特性を有する２つの光束を用いて特定の特性を有するターゲットを画像化することにより、非常に大きい焦点深度を実現できる。その大きい焦点深度は、すべての平面を像平面として利用できる連続的な範囲を規定する。この連続的な範囲は、システムの焦点深度と呼ばれる。それは、画質（焦点）が良好である範囲（例えば、１ミクロン）である。

任意の適切な機構を用いて、ほぼ無限大の焦点深度で正弦波画像を生成してよい。一実施例では、正弦波画像を形成するために、２つの散乱平面波のみが、結像レンズによって捕捉されるように、軸外の入射平面波で画像化される周期的なターゲットが提供される。２つの散乱平面波のみが、画像の構築に用いられるように、周期的なターゲットが画像化された場合、結果として生じる正弦波画像は、ターゲットのピッチと同じ周期を有する。

任意の適切な周期的ターゲットを用いてよい。図３は、本発明の一実施形態に従って、第１の層における第１の組の周期的な線構造３０２と、第２の層における第２の組の周期的な線構造３０４とを有する周期的なオーバレイターゲット３００の一例を示す上面図である。もちろん、この特定の配列は、例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、本明細書に記載された装置の実施形態と共に、正方形や点線など、他の構造の配列を用いてもよい。

結像光学系は、ターゲットの画像が２つの散乱平面波のみによって構築され、その画像が、正弦波画像になって、ターゲットと同じピッチを有するように、構成される。２つの出力ビームは、上述の式１または２の条件に従うように、任意の適切な機構によって生成される。これら２つのビームは、例えば、周期的なターゲットからの２つの回折次数によって生成されてよい。波長λを有する２つの出力ビームが、ピッチｐを有する１つのターゲットから２θの角度分離で散乱することが好ましい。

オーバレイ（または、アライメント）が判定される時に、ターゲット形状の絶対位置は必要ない。しかしながら、第１の層上の構造の画像と、第２の層上の構造の画像との間の相対的な位置ずれは、オーバレイの判定にとって重要である。垂線に対する角度θと、波長λとを有する光線が、式１または２に従って選択されたピッチｐを有する周期的なターゲットに入射する場合、ターゲットから散乱される出力ビームは、０次回折、−１次回折、＋１次回折、−２次回折、＋２次回折などと規定される複数の角度を有する。これら散乱された出力ビームは、回折格子の回折次数で呼ばれる。回折格子の回折次数の角度は、ターゲットのピッチと、入射ビームの波長および角度とによって決まる。したがって、一実施形態において、−１次回折または＋１次回折が、照射光と同じ光路上に反射されるように、ターゲットのピッチを選択できる。

軸外照明を用いて、２つのビームで画像化を行うために、有効光源関数Ｓ（ｆ_x，ｆ_y）＝δ（ｆ_x−υ，ｆ_y）が用いられる。ここで、ｆ_xおよびｆ_yは、空間周波数の変数であり、υは、軸外周波数である。υが、υ＝１／（２ｐ）（ｐは、ターゲット回折格子のｘ方向のピッチ）のように選択される場合、０次回折次数は、方向（ｆ_x，ｆ_y）＝（−１／（２ｐ），０）に伝播し、−１次回折次数は、正確に反対の方向（ｆ_x，ｆ_y）＝（−１／（２ｐ）＋１／ｐ，０）＝（１／（２ｐ），０）に伝播する。

他の周期性を有するパターンについて、焦点に関する画像の対称性を保証するために、原点に関して、有効光源のバランスを取ることが可能であり、その結果として、以下の双極子構成となる。

両方向で回折格子を画像化するために、以下のように、対角四極子構成を用いることが好ましい。

以下の交差四極子構成を用いてもよく、これは、画像形成に寄与する光の総量に関して不利であり、ＤＣ背景光成分が加わるが、いくつかの他の利点を有しうる）。

結像光学系は、さらに、各入射ビームについて、−１次または１次（および０次）回折のみが、結像レンズによって捕捉されるように、構成される。υ＝１／（２ｐ）での有効光源について、「１次回折」の画像化（０次と、−１次または＋１次のいずれかのみが、結像レンズによって捕捉される）の条件は、以下のピッチの回折格子に対して実現される。

光学系によって分解されるように、ピッチは、さらに、式４を満たす必要がある。

したがって、式５により、「１次回折」の画像化のためのピッチ、λ、および、ＮＡの間の以下の関係が与えられる。

式５は、双極子照明および対角四極子照明の構成に関連する。

交差四極子照明の場合には、ｐに関して、より制限された条件が適用される。「１次回折」については、Ｘ回折格子からのＹ軸極の±１次の回折次数が、レンズによって集光されないことを保証する必要があるため、ｐは、式６を満たす必要がある。

図４は、本発明の一実施例に従って、２つの回折次数のみが捕捉される一般的な１次回折画像化システムを示す説明図である。図に示すように、入射ビーム４０２は、回折格子ターゲット４０４に向けられる。次いで、複数の回折次数が、ターゲット４０４から散乱される。

画像化システム（ここでは、レンズ４１０として図示されている）は、この例では、＋１および＋２の回折次数のみを捕捉するよう構成されている。これを実現するために、これら２つの回折次数のみを捕捉するように、結像レンズのサイズが決められ、または、開口絞りが調整されて、レンズが配置される。図に示すように、レンズ４１０の一部のみが示されているが、図示しない他の部分は、開口絞りを用いて遮蔽されている。

結像レンズは、任意の２つの回折次数を捕捉するよう構成されてよい。図４に示すように、＋１次４０３および＋２次４０６は、結像レンズ４１０を通過するが、他の次数はすべて、かかる結像レンズ４１０への通過を阻まれる。実際には、２つの略平面波４１２aおよび４１２ｂが、結像レンズ４１０から出力される。これらの出力ビーム４１２ａおよび４１２ｂは、非常に広い焦点深度にわたって、正弦波画像４１４を形成する。（簡単のため、この焦点範囲の中央の平面のみが図示されている）。すなわち、比較的広い範囲の位置に、センサ（図示せず）を配置することが可能であり、このセンサの位置範囲にわたって良好な焦点を実現しつつ、正弦波画像４１４を検出することができる。

図４Ａは、本発明の別の実施形態に従って、レンズによって捕捉される２つの回折次数が、０次および−１次の回折次数である場合の１次回折画像化システムを示す説明図である。図に示すように、入射ビーム４５２は、回折格子ターゲット４５４に向けられる。次いで、複数の回折次数が、ターゲット４５４から散乱される。図に示すように、０次の回折次数４５３は、入射ビーム４５２の正反射である。−１次の回折次数４５６は、入射ビーム４５２と同じ光路を反対方向に進む。他の次数も、ターゲット４５４から散乱される。例えば、＋１次の回折次数４５８も、ターゲットから散乱される。−２次および＋２次の回折次数など、他の回折次数も、周期的なターゲット４５４から散乱されるが、図を簡単にするために、図示されていない。

画像化システム（ここでは、レンズ４６０として図示されている）は、０次および−１次の回折次数のみを捕捉するよう、（上述の式２ないし５を用いて）構成される。これを実現するために、これら２つの回折次数のみが捕捉されるように、結像レンズのサイズすなわち開口数（ＮＡ）が調整される。

図４Ａに示すように、０次４５３および−１次４５６は、結像レンズ４６０を通過するが、他の次数（例えば、＋１次の回折次数４５８）はすべて、かかる結像レンズ４６０への通過を阻まれる。実際には、２つの略平面波４６２ａおよび４６２ｂが、結像レンズ４６０から出力される。これらの出力ビーム４６２ａおよび４６２ｂは、非常に広い焦点深度にわたって、正弦波画像４６４を形成する。（簡単のため、この焦点範囲の中央の平面のみが図示されている）。すなわち、比較的広い範囲の位置に、センサ（図示せず）を配置することが可能であり、このセンサの位置範囲にわたって良好な焦点を実現しつつ、正弦波画像を検出することができる。

電荷結合素子（ＣＣＤ）またはＣＭＯＳなど、任意の適切なセンサを用いて、画像化された周期的なターゲットから正弦波画像を検出してよい。

本発明の実施形態は、いくつかの利点を提供する。例えば、本明細書に記載の画像化システムは、２つの隣接する周期的なターゲット、すなわち、第１の層の第１の周期的なターゲットと第２の層の第２の周期的なターゲットを画像化するオーバレイ測定に利用可能である。第１および第２の周期的なターゲットが、同じピッチを有し（例えば、図３の第１および第２のターゲット３０２および３０４）、レンズによって捕捉される２つの回折次数が、式２の条件を満たすような特定の分離角度および波長を有するように、入射ビームによって照射された場合には、第１および第２のターゲットは両方とも、０次および−１次の回折次数のビームのみによって画像化され、それらのビームは、同じ位置で結像レンズをサンプリングする。

したがって、本発明の実施形態により、０次および−１次の回折次数が、両方のターゲットについて通過する位置が同じになるため、両方の層について画像化システムを通過する時に出力ビームに生じる収差が同じになるように規定される。換言すると、結像レンズは、第１の層のターゲットと第２の層のターゲットの両方について、同じ配置誤差を引き起こすため、２つの層の間のオーバレイ測定におけるツール起因シフト（ＴＩＳ）がゼロになる。実際に、第１の層のターゲットと第２の層のターゲットとの間の配置誤差の差であるＴＩＳは、相殺される。例えば、結像光学系の収差が、第１の層について０次および−１次の回折次数の出力ビームによって形成される正弦波の位置を、右に２ｎｍだけずらす場合に、これらの収差は、同様に、第２の層について０次および−１次の回折次数の出力ビームによって形成される正弦波を、右に２ｎｍだけずらす。

つまり、第１の層のターゲットと第２の層のターゲットとの間の相対的な位置ずれだけが重要であり、２つのターゲットのいずれの絶対的な位置も重要ではないことから、配置誤差は、オーバレイの判定に影響を与えない。第１および第２の層のターゲットからの２つの画像の間の任意のずれは、オーバレイ誤差のみに起因するものである。

オーバレイ誤差は、第１および第２の層のターゲットからの画像がずれているか否か、および、どの程度ずれているのか、を解析することにより、任意の適切な方法で判定されてよい。一実施形態では、第１の層の画像の対称中心（ＣＯＳ）が決定され、第２の層の画像のＣＯＳが決定される。次いで、第１のＣＯＳと第２のＣＯＳとの間の差が、オーバレイ誤差として定義されてよい。正弦波画像の位相は、ターゲットの位相に対応するため、第１の層の構造の正弦波の位相を、第２の層の構造の正弦波の位相と比較することができる。次いで、位相差を、空間的なずれに変換して、オーバレイ誤差として定義することができる。

理論的に、１つの入射ビームを用いて、上述の式の条件を満足する２つの出力ビーム、すなわち、０次および１次の回折次数のビームを生成することができる。例えば、図４Ａに示したように、１つの入射ビーム４５２により、０次の回折次数の出力ビーム４５３と、−１次の回折次数の出力ビーム４５６とが生成される。次いで、これら２つの出力ビームは、結像レンズ４６０を通過し、干渉することにより正弦波画像４６４を形成する２つの出力ビーム４６２ａおよび４６２ｂになる。

別の実施形態では、２つの入射ビームを用いて、より多くの光をターゲット上に生成し、より明るい画像を生成する。図４Ｂは、２つの入射ビームを用いた場合の１次の回折次数の画像化システムを示す説明図である。この構成は、双極子照明と呼ばれる。図に示すように、２つの入射ビーム４７２ａおよび４７２ｂが、ターゲット４７４に向けられる。次いで、複数の回折次数が、ターゲット４７４から散乱される。図に示すように、０次の回折次数４７３ａおよび４７３ｂは、それぞれ、入射ビーム４７２ａおよび４７２ｂの正反射である。同様に、−１次の回折次数４７６ａおよび＋１次の回折次数４７６ｂは、それぞれ、０次の回折次数のビーム４７４ｂおよび４７４ａと同じ光路をたどる。他の回折次数も、周期的なターゲット４７４から散乱されるが、図を簡略化するために、図示されていない。０次および−１次の回折次数４７３ａおよび４７６ａによる正弦波画像４８４は、０次および＋１次の回折次数４７３ｂおよび４７６ｂによる正弦波画像４８４を強化するように重なる。その結果、より明るい正弦波画像４８４が形成される。

本発明の実施形態は、さらに、プロセスのロバスト性を改善する利点を有する。従来の画像化では、ウエハにおける複数の場所に位置する同じターゲットを測定した時に、画像が、ウエハにわたって変動することが観察されていた。画像の変動は、ウエハにわたるプロセス変動によるものである。各場所は、例えば、異なるスペクトル強度分布および角度強度分布で反射するなど、やや異なる特性を有する。しかしながら、周期的なターゲットは、各波長について特定の角度に回折次数を維持し、２つのビームのみの画像化を可能とすることにより、プロセスではなく、ターゲットのピッチのみに依存するピッチで、正弦波画像が形成される。

また、オーバレイ測定では、これにより、ＴＩＳの発生の可能性が低くなる。ＴＩＳの変動も、ウエハにわたるプロセス変動によるものである。１次の回折次数の画像化については、光学収差によるＴＩＳは排除されるため、ＴＩＳの発生可能性は低減される。したがって、ＴＩＳおよびオーバレイ測定は、プロセス変動からの影響を受けにくくなる。

また、本発明の実施形態によると、画像のコントラストが高くなる。明視野光源で画像化された単独の線の場合には、照明が、複数の角度で生成されることから、複数の回折次数が、複数の角度で生成される。実際には、複数の回折次数が、異なる照明角度の各々について生成される。出力光線の一部は、結像光学系によって捕捉された１つの強く回折された次数を有するのみであり、この単一の次数の光線は、干渉すべき対応するコヒーレントな光線を持たないため、画像の形成に寄与することはない。したがって、この単一の次数の光線は、全体的なＤＣ背景に寄与するだけである。この影響により、コントラストの質が低くなる。

本発明の実施形態では、照明は、特定の角度にのみ方向付けられるため、その結果、結像レンズによって捕捉されて互いに干渉することで正弦波画像を形成する正確に対応した回折次数の対が生成される。すなわち、結像レンズによって捕捉されるすべての光線が、画像化情報に利用される。図４Ｂの例では、コヒーレントであるために、互いに干渉して正弦波画像を形成する０次および１次の回折次数の２つの対が示されている。具体的には、０次の回折次数のビーム４７３ａおよび−１次の回折次数のビーム４７６ａが、第１の正弦波画像を形成し、０次の回折次数のビーム４７３ｂおよび＋１次の回折次数のビーム４７６ｂが、重なり合うことで第１の正弦波画像を強化する第２の正弦波画像を形成する。本発明の実施形態で画像化される出力ビームのすべてが、画像に寄与するため、ＤＣ背景ノイズが少なくなる。したがって、従来の他の型の画像化システムよりも、コントラストが改善される。

上述の実施形態では、１つの方向（例えば、ｘ方向）に周期的な構造を有するターゲットに対して、２つの入射ビームが向けられている。この実施形態は、双極子照明系と呼ばれる。あるいは、ｙおよびｘ方向の両方に周期的な構造を有するターゲットを画像化するために、四極子照明系を用いてもよい。もちろん、ｘ方向ターゲットおよびｙ方向ターゲットの両方に対して、双極子系を用いてもよく、その場合には、ｘまたはｙ方向ターゲットの一方を、２つのビームを用いて第１の方向で画像化した後に、ｘまたはｙ方向ターゲットの他方を、第２の方向で画像化できるように、双極子照明系に対してウエハを回転させる。別の実施形態では、交差四極子照明を用いて、ｘ方向で２つのビームを提供すると共に、ｙ方向で２つのビームを提供してもよい。さらに別の実施形態では、ｘ方向に２つの入射光を提供してｙ方向に２つの入射光を提供する構成と対照的に、対角四極子照明を用いて、ｘおよびｙの両方向にそれぞれ寄与する４つのビームを提供してもよい。これらの異なる極構成について、さらに、数学的に説明する。

図５Ａは、一実施形態に従って、双極子照明系５００を用いたケーラー照明系を示す側面図である。図に示すように、照明系５００は、すべての角度に光５１３を放射する光源５１２を備える。任意の適切な数の光源を用いてよい。光源からの光５１３は、開口面（開口絞り）５０８に向けられる。開口面５０８は、１または複数の開口部を備えることで、すべての角度に放射して光束（２つの光束５０９ａおよび５０９ｂなど）を形成する１または複数の点光源を形成する。あるいは、発光ダイオード（ＬＥＤ）など、すべての角度に放射する２つの実際の点光源を、開口面５０８に配置して、２つの光束５０９ａおよび５０９ｂを形成してもよい。次に、これら２つの光束５０９ａおよび５０９ｂは、２つの光束５０９ａおよび５０９ｂを、特定の角度で周期的なターゲット５０２に向けられる第１のビーム５０４ａおよび第２のビーム５０４ｂの形態で収束させるよう構成された集光レンズ５１０を通過する。

第１および第２のビーム５０４ａおよび５０４ｂは、ｘ軸に沿ったターゲットのピッチｐ_xと、用いられている特定の波長とに、ほぼ適合された２θ_xの分離を有する。２つの入射ビーム５０４ａおよび５０４ｂは、１つの方向におけるターゲットの画像化に利用される。例えば、入射ビーム５０４は、ｘ方向の構造を画像化するために用いられるが、それらは、ｙ方向の構造を画像化するために用いられてもよい。図５Ｂは、図５Ａの２つの入射ビーム５０４ａおよび５０４ｂに関して、照明系５００の開口絞り５０８を示す上面図である。図に示すように、ビーム５０４ａおよび５０４ｂは、開口絞り５０８から放射されて、２つの方向からターゲット５０２に向かう。

図５Ｃは、別の照明系の実施形態を示す説明図である。図に示すように、入射ビーム５２０が、ＤＯＥ（回折光学素子）５２１によって複数のビーム５２２に分割され、その結果、複数のビームが、所望の位置において開口面５２４に当たる。次いで、各ビーム５２２は、すべての方向に光束を放射するように、拡散器５２６によって角度を拡散される。次に、これらの光束は、２つの光束を収束させて特定の角度でターゲットに当てるよう構成された集光レンズ５１０（図示せず）を通過する。

ｘ方向およびｙ方向の両方に構造を有するターゲットについては、ｘ方向の構造用の２つのビームと、ｙ方向の構造用の２つのビームとを生成するように、照明系を構成してもよい。図５Ｄは、この交差四極子構成のための照明系の開口絞りを示す上面図である。図に示すように、開口部５５６ａからの第１のビームと、開口部５５６ｂからの第２のビームとが、ｙ方向のターゲット構造を画像化するために、周期的なターゲットに向けられる。これらのｙ方向のビーム５５６は、ｙ軸に沿ったターゲットのピッチｐ_yと、用いられている特定の波長とに適合された２θ_yの分離をｙ軸に沿って有する。同様に、開口部５５４ａからの第１のビームと、開口部５５４ｂからの第２のビームとが、ｘ方向のターゲット構造を画像化するために、同じターゲットに向けられる。これらのビーム５５４は、ｘ軸に沿ったターゲットのピッチｐ_xと、用いられている特定の波長とに適合された２θ_xの分離をｘ軸に沿って有する。

図５Ｅは、この対角四極子構成のための照明系の開口絞りを示す上面図である。この構成では、開口部５７４ａないし５７４ｄからのビームはすべて、ｘ方向の構造およびｙ方向の構造の両方の画像形成に寄与する。

図６は、本発明の一実施形態に従って、ターゲットの取得、もしくは、オーバレイまたはアライメントの判定を行うための１次回折画像化用の光学画像化システムを示す説明図である。明確にするために、照明光路は、そのシステムが透過光学系であるかのように図示されている。ほとんどの実施形態では、画像化システムは反射光学系であり、その照明光路も、上から下に向かって対物レンズを通過する。図に示すように、システム６００は、特定のピッチｐの構造を有する周期的なターゲットに、少なくとも１つのビームを向けるためのビーム発生器６０２と、例えば、図４Ａを参照して上述したように、ターゲット６１２からの第１および第２の出力ビームのみを導くための結像レンズ系６１０とを備える。少なくとも１つの入射ビームは、波長値λと、周期的なターゲットに向かってターゲットの面に垂直な軸からの角度θとを有する。少なくとも１つの入射ビームの角度θおよび波長値λと、周期的なターゲットのピッチｐとは、式２の条件をほぼ満たすように選択される。システムは、さらに、第１および第２の出力ビームを受光して第１および第２の出力ビームに基づく画像を生成するためのセンサ６１２を備える。なお、その画像は、正弦波画像である。システムｙは、さらに、（ｉ）特定のピッチｐを有する周期的な１つのターゲットまたは１組の複数ターゲットに対して、少なくとも１つの入射ビームを向けるように、ビーム発生器を制御することで、センサが、１または複数のターゲットの画像を生成できるようにするため、および、（ｉｉ）その画像を解析するための制御部を備える。ターゲット取得に用いる場合には、画像解析は、画像が実際に取得ターゲットであるか否かを判定することを含む。オーバレイ測定に用いる場合には、画像解析は、第１および第２の層からの第１および第２のターゲットが、オーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定することを含む。

本発明の一実施形態では、ビーム発生器は、光源６０４と集光レンズ６０６とを用いて実現される。光源は、集光レンズに向けられる少なくとも１つの軸外照明の光束を生成するため、もしくは、ピッチｐを有する周期的なターゲットに向けられる少なくとも１つの軸外照明のビームを生成するための回折光学素子（ＤＯＥ）など、任意の適切な素子によって実現されてよい。ＤＯＥで照明ビームを実現することの利点は、式１または２の条件に対して、スペクトル的に「自己整合」するように、ＤＯＥを設計できる点である。すなわち、各波長が、異なる入射角θに方向付けられるスペクトルの広い入射ビームを、ターゲットに向けるために、１つのＤＯＥを用いることで、入射ビームの全波長について式１または２が同時に満たされるようにすることができる。ＤＯＥは、複数の照射ビームを生成するために用いられてもよい。回折ビーム増倍素子を用いて、ビームを、出力および伝播角度以外は元のビームの特性をそれぞれ有するいくつかのビームに分割してもよい。

理解を深めるために、上述の発明について、ある程度詳しく説明したが、添付の特許請求の範囲内で、ある程度の変更や変形を行ってもよいことは明らかである。したがって、上述の実施形態は、例示的なものであって、限定的なものではないとみなされ、本発明は、本明細書に示した詳細事項に限定されず、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲によって規定される。

２つの単色ビームの間の干渉によって形成された正弦波画像と、ビームの角度分離および波長との間の関係を示す図である。 単色の２つのビームによる画像化で実現される無限大の焦点深度を示す図である。 本発明の一実施形態に従って、周期的なオーバレイターゲットの一例を示す上面図である。 本発明の具体的な実施形態に従って、２つの回折次数のみが結像レンズによって捕捉される一般的なｘ軸沿いの１次回折画像化システムを示す説明図である。 本発明の別の実施形態に従って、０次および−１次の回折次数のみが結像レンズによって捕捉されるｘ軸沿いの１次回折画像化システムを示す説明図である。 本発明の別の実施形態に従って、両方の入射ビームの０次および１次の回折次数のみが結像レンズによって捕捉される、双極子照明を用いたｘ軸沿いの１次回折画像化システムを示す説明図である。 一実施形態に従って、双極子照明系を示す側面図である。 図５Ａの開口絞りを示す上面図である。 回折光学素子（ＤＯＥ）を用いて、開口面で複数の光源を生成する別の照明系を示す説明図である。 交差四極子照明構成のための照明系の開口絞りを示す上面図である。 対角四極子照明構成のための照明系の開口絞りを示す上面図である。 本発明の一実施形態に従って、ターゲットの取得、もしくは、オーバレイまたはアライメントの判定を行うための１次回折光学画像化システムを示す説明図である。

Claims (35)

1. 半導体の検査または測定を行うツールにおいて、半導体取得ターゲットを画像化するためのシステムであって、
   波長λを有する少なくとも１つの入射ビームを、特定のピッチｐを持つ構造を有する周期的なターゲットに向けるためのビーム発生器であって、前記少なくとも１つの入射ビームに応じて、前記周期的なターゲットから複数の出力ビームが散乱される、ビーム発生器と、
   前記ターゲットからの第１および第２の出力ビームのみを通すための結像レンズ系であって、前記第１および第２の出力ビームに、ほぼ純粋な正弦波画像を形成させるように、前記第１の出力ビームと前記第２の出力ビームとの間の角度分離と、λと、前記ピッチとが選択されるよう適合された、結像レンズ系と、
   前記正弦波画像を画像化するためのセンサと、
   特定のピッチｐを有するターゲットに前記少なくとも１つの入射ビームを向けるように、前記ビーム発生器を制御することで、前記センサが正弦波画像を検出するようにするための制御部と、を備える、システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記制御部は、同じ前記特定のピッチｐをそれぞれ有する第１および第２の周期的なターゲットに前記少なくとも１つの入射ビームを向けるように、前記ビーム発生器を制御することで、前記センサが、前記第１のターゲットの第１の正弦波画像と、前記第２のターゲットの第２の正弦波画像とを検出するようにすると共に、前記第１および第２の正弦波画像を解析して、前記第１および第２のターゲットがオーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定する、システム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、前記結像レンズに捕捉された前記２つの散乱ビームの前記ターゲットへの垂線に対する角度、すなわち、θ₁およびθ₂と、前記ピッチとは、条件ｐ＝λ／（ｓｉｎθ₁−ｓｉｎθ₂）をほぼ満たすように選択される、システム。
4. 請求項１に記載のシステムであって、前記結像レンズに捕捉された前記２つのビームの間の前記角度分離、すなわち、２θと、λと、前記ピッチとは、条件ｐ＝λ／（２ｓｉｎθ）をほぼ満たすように選択される、システム。
5. 請求項１に記載のシステムであって、前記第１および第２の出力ビームは、コヒーレントな０次の回折次数と、１次の回折次数とを備え、前記結像レンズ系は、前記０次および１次の回折次数のみの通過を可能にするよう適合されている、システム。
6. 請求項５に記載のシステムであって、前記ビーム発生器は、第１および第２の入射ビームを、双極子構成で、前記１または複数のターゲットに向けるよう適合されており、
   前記第１および第２の入射ビームは、条件ｐ＝λ／（２ｓｉｎθ）（λは前記波長であり、ｐは前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された２θの角度分離を有し、
   前記第１および第２の出力ビームは、それぞれが、非コヒーレントな１次の回折次数と、０次の回折次数とを含む、システム。
7. 請求項６に記載のシステムであって、ｐは、前記非コヒーレントな１次の回折次数と０次の回折次数とが、同じ光路を共有するように選択される、システム。
8. 請求項１に記載のシステムであって、λは、１００ｎｍ幅未満の狭い波長帯域を含み、θは、３０度未満の角度の拡散を有する、システム。
9. 請求項１に記載のシステムであって、前記入射ビームは、回折光学素子を用いて生成され、前記回折光学素子は、条件ｐ＝λ／（２ｓｉｎθ）が、広い範囲の波長に対して同時に満たされるように、異なる角度に各波長を向けることで、広帯域の入射ビームの利用を可能にするよう設計されている、システム。
10. 請求項１に記載のシステムであって、前記制御部は、さらに、前記ターゲットの設計のピッチと、前記正弦波画像のピッチとを比較することにより、ターゲット取得が成功したか否かを判定するよう構成されている、システム。
11. 請求項２に記載のシステムであって、前記第１のターゲットは、第１の層の上に配置され、前記第２のターゲットは、第２の層の上に配置され、前記制御部は、前記第１の正弦波画像と前記第２の正弦波画像との間のずれを、前記第１のターゲットと前記第２のターゲットとの間のオーバレイ誤差として定義することにより、前記オーバレイ誤差を判定するよう構成されている、システム。
12. 請求項１１に記載のシステムであって、前記第１および第２のターゲットは、複数の線構造を備える、システム。
13. 請求項２に記載のシステムであって、前記第１および第２のターゲットは、同じ層の上に配置され、前記制御部は、前記第１の正弦波画像と前記第２の正弦波画像との間のずれを、前記第１のターゲットと前記第２のターゲットとの間のアライメント誤差として定義することにより、前記アライメント誤差を判定するよう構成されている、システム。
14. 請求項２に記載のシステムであって、光学収差であるツールによる配置誤差（ＰＥ）が、前記第１および第２のターゲットの両方に対して同じように、第１の層の上の前記第１のターゲットおよび第２の層の上の前記第２のターゲットの前記第１および第２の正弦波画像に影響を与えることで、前記オーバレイまたはアライメントの判定は、光学収差の影響を受けない、システム。
15. 求項１に記載のシステムであって、前記第１の出力ビームは、前記第２の出力ビームとコヒーレントであり、ＤＣ背景ノイズのみに寄与する出力ビームを含まない、システム。
16. 請求項２に記載のシステムであって、前記ビーム発生器は、第１および第２の入射ビームと、第３および第４の入射ビームとを、交差四極子構成で、周期的なターゲットに向けるよう適合されており、
    前記第１および第２の入射ビームは、条件ｐ_x＝λ／（２ｓｉｎθ_x）（λは前記波長であり、ｐ_xはｘ方向に沿った前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された前記ｘ方向に沿った２θ_xの角度分離を有し、
    前記第３および第４の入射ビームは、条件ｐ_y＝λ／（２ｓｉｎθ_y）（λは前記波長であり、ｐ_yはｙ方向に沿った前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された前記ｙ方向に沿った２θ_yの角度分離を有する、システム。
17. 請求項１６に記載のシステムであって、前記制御部は、さらに、（ｉ）前記第１および第２の入射ビームを前記第１および第２の周期的なターゲットに向けるように、前記ビーム発生器を制御することで、前記検出器が、前記第１のターゲットの第１の正弦波画像と前記第２のターゲットの第２の正弦波画像とを検出するようにし、（ｉｉ）前記第１および第２の正弦波画像を解析して、前記第１および第２のターゲットが、前記ｘ方向にオーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定し、（ｉｉｉ）前記第３および第４の入射ビームを、ｙ方向の構造を有する第３および第４の周期的なターゲットに向けるように、前記ビーム発生器を制御することで、前記検出器が、前記第３のターゲットの第３の正弦波画像と前記第４のターゲットの第４の正弦波画像とを検出するようにし、（ｉｖ）前記第３および第４の正弦波画像を解析して、前記第３および第４のターゲットが、前記ｙ方向にオーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定するよう構成されている、システム。
18. 請求項２に記載のシステムであって、前記ビーム発生器は、第１、第２、第３、および、第４の入射ビームを、対角四極子構成で、周期的なターゲットに向けるよう適合されており、
    前記第１、第２、第３、および、第４の入射ビームは、ｘ軸上に投射される場合には、条件ｐ_x＝λ／（２ｓｉｎθ_x）（λは前記波長であり、ｐ_xはｘ方向に沿った前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された前記ｘ方向に沿った２θ_xの角度分離を有するよう構成され、
    ｙ軸上に投射される場合には、条件ｐ_y＝λ／（２ｓｉｎθ_y）（λは前記波長であり、ｐ_yはｙ方向に沿った前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された前記ｙ方向に沿った２θ_yの角度分離を有するよう構成されている、システム。
19. 請求項１８に記載のシステムであって、前記制御部は、さらに、前記第１、第２、第３、および、第４の入射ビームを、前記第１、第２、第３、および、第４の周期的ターゲットに向けるように、前記ビーム発生器を制御することで、前記検出器が、前記第１のターゲットの第１の正弦波画像と、前記第２のターゲットの第２の正弦波画像と、前記第３のターゲットの第３の正弦波画像と、前記第４のターゲットの第４の正弦波画像とを検出するようにし、（ｉｉ）前記第１および第２の正弦波画像を解析して、前記第１および第２のターゲットが、前記ｘ方向のオーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定し、（ｉｉｉ）前記第３および第４の正弦波画像を解析して、前記第３および第４のターゲットが、前記ｙ方向のオーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定するよう構成されている、システム。
20. オーバレイまたはアライメント半導体ターゲットを画像化するための方法であって、
    波長λを有する少なくとも１つの入射ビームを、特定のピッチｐを持つ構造を有する第１および第２の周期的なターゲットに向ける工程であって、前記少なくとも１つの入射ビームに応じて、前記第１および第２の周期的なターゲットの各々から複数の出力ビームが散乱される、工程と、
    前記第１および第２のターゲットの各々からの第１および第２の出力ビームのみを通す工程であって、前記画像化システムは、前記第１および第２のターゲットからの前記第１および第２の出力ビームに、ほぼ純粋な第１および第２の正弦波画像をそれぞれ形成させるように、前記第１の出力ビームと前記第２の出力ビームとの間の角度分離と、λと、前記ピッチとが選択されるよう適合されている、工程と、
    前記第１のターゲットの前記第１の正弦波画像と、前記第２のターゲットの前記第２の正弦波画像とを検出する工程と、
    前記第１および第２の正弦波画像を解析して、前記第１および第２のターゲットが、オーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定する工程と、を備える、方法。
21. 請求項２０に記載の方法であって、前記第１の出力ビームと前記第２の出力ビームとの間の前記角度分離、すなわち、２θと、λと、前記ピッチとは、条件ｐ＝λ／（２ｓｉｎθ）をほぼ満たすように選択される、方法。
22. 請求項２０に記載の方法であって、前記第１および第２の出力ビームは、コヒーレントな０次の回折次数と、１次の回折次数とを備え、前記結像レンズ系は、前記０次および１次の回折次数のみの通過を可能にするよう適合されている、方法。
23. 請求項２２に記載の方法であって、さらに、第１および第２の入射ビームを、双極子構成で、前記第１および第２のターゲットに向ける工程を備え、
    前記第１および第２の入射ビームは、条件ｐ＝λ／（２ｓｉｎθ）（λは前記波長であり、ｐは前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された２θの角度分離を有し、
    前記第１および第２の出力ビームは、それぞれが、非コヒーレントな１次の回折次数と、０次の回折次数とを含む、方法。
24. 請求項２３に記載の方法であって、ｐは、前記非コヒーレントな１次の回折次数と０次の回折次数とが、同じ光路を共有するように選択される、方法。
25. 請求項２０に記載の方法であって、λは、１００ｎｍ幅未満の狭い波長帯域を含み、θは、３０度未満の角度の拡散を有する、方法。
26. 請求項２０に記載の方法であって、前記入射ビームは、集光レンズの前または後ろに設置された回折光学素子（ＤＯＥ）を用いて生成され、前記回折光学素子は、条件ｐ＝λ／（２ｓｉｎθ）が、広い範囲の波長に対して同時に満たされるように、異なる角度に各波長を向けることで、広帯域の入射ビームの利用を可能にするよう設計されている、方法。
27. 請求項２０に記載の方法であって、前記第１のターゲットは、第１の層の上に配置され、前記第２のターゲットは、第２の層の上に配置され、前記第１の正弦波画像と前記第２の正弦波画像との間のずれを、前記第１のターゲットと前記第２のターゲットとの間のオーバレイ誤差として定義することにより、前記オーバレイ誤差が判定される、方法。
28. 請求項２７に記載の方法であって、前記第１および第２のターゲットは、それぞれ、複数の線構造を備える、方法。
29. 請求項２０に記載の方法であって、前記第１および第２のターゲットは、同じ層の上に配置され、前記第１の正弦波画像と前記第２の正弦波画像との間のずれを、前記第１のターゲットと前記第２のターゲットとの間のアライメント誤差として定義することにより、前記アライメント誤差が判定される、方法。
30. 請求項２０に記載の方法であって、ツールによる光学収差が、前記第１および第２のターゲットの両方に対して同じように、第１の層の上の前記第１のターゲットおよび第２の層の上の前記第２のターゲットの前記第１および第２の正弦波画像に影響を与えることで、前記オーバレイまたはアライメントの判定は、光学収差の影響を受けない、方法。
31. 請求項２０に記載のシステムであって、前記第１の出力ビームは、前記第２の出力ビームとコヒーレントであり、ＤＣ背景ノイズのみに寄与する出力ビームを含まない、システム。
32. 請求項２０に記載のシステムであって、さらに、
    第１、第２、第３、および、第４の入射ビームを、交差四極子構成で、周期的なターゲットに向ける工程を備え、
    前記第１および第２の入射ビームは、条件ｐ_x＝λ／（２ｓｉｎθ_x）（λは前記波長であり、ｐ_xはｘ方向に沿った前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された前記ｘ方向に沿った２θ_xの角度分離を有し、
    前記第３および第４の入射ビームは、条件ｐ_y＝λ／（２ｓｉｎθ_y）（λは前記波長であり、ｐ_yはｙ方向に沿った前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された２θ_yの角度分離を有する、システム。
33. 請求項３２に記載の方法であって、さらに、
    前記検出器が、前記第１のターゲットの第１の正弦波画像と、前記第２のターゲットの第２の正弦波画像とを検出するように、前記第１および第２の入射ビームを、前記第１および第２の周期的なターゲットに向ける工程と、
    前記第１および第２の正弦波画像を解析して、前記第１および第２のターゲットが、前記ｘ方向のオーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定する工程と、
    前記検出器が、第３のターゲットの第３の正弦波画像と、第４のターゲットの第４の正弦波画像とを検出するように、前記第３および第４の入射ビームを、第３および第４の周期的なターゲットに向ける工程と、
    前記第３および第４の正弦波画像を解析して、前記第３および第４のターゲットが、前記ｙ方向のオーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定する工程と、を備える、方法。
34. 請求項２０に記載の方法であって、さらに、
    第１、第２、第３、および、第４の入射ビームを、対角四極子構成で、周期的なターゲットに向ける工程を備え、
    前記第１、第２、第３、および、第４の入射ビームは、ｘ軸上に投射される場合には、条件ｐ_x＝λ／（２ｓｉｎθ_x）（λは前記波長であり、ｐ_xはｘ方向に沿った前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された前記ｘ方向に沿った２θ_xの角度分離を有するよう構成され、
    ｙ軸上に投射される場合には、条件ｐ_y＝λ／（２ｓｉｎθ_y）（λは前記波長であり、ｐ_yはｙ方向に沿った前記周期的なターゲットのピッチ）をほぼ満たすように選択された前記ｙ方向に沿った２θ_yの角度分離を有するよう構成される、方法。
35. 請求項３４に記載の方法であって、さらに、
    前記検出器が、前記第１のターゲットの第１の正弦波画像と、前記第２のターゲットの第２の正弦波画像とを検出するように、前記第１、第２、第３、および、第４の入射ビームを、前記第１、第２、第３、および、第４の周期的なターゲットに向ける工程と、
    前記第１および第２の正弦波画像を解析して、前記第１および第２のターゲットが、前記ｘ方向のオーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定する工程と、
    前記第３および第４の正弦波画像を解析して、前記第３および第４のターゲットが、前記ｙ方向のオーバレイまたはアライメント誤差を有するか否かを判定する工程と、を備える、方法。

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