JP2010177500A - パターンの重ね合わせ評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
露光ショット内の任意の位置で合わせずれ量とずれ方向とを評価することが可能なパターンの重ね合わせ評価方法を提供する。
【解決手段】
重ね合わせ評価パターンを用いるパターンの重ね合わせ評価方法であって、重ね合わせ評価パターンの画像を、電子顕微鏡１０、１０９を用いて取得し（Ｓ１）、取得した画像と、記憶部１１１に登録されていた、重ね合わせ評価パターンが配置されるべきレイアウト情報とを比較して、各露光ステップのずれ量と方向とを算出（Ｓ２）し、評価結果を表示（Ｓ３）する。
【選択図】図１

Description

本発明は、異なる露光ステップで同一領域に形成される微細パターンの重ね合わせ評価方法に関する。

半導体製造工程において、多層に形成される各種薄膜に微細パターン(半導体パターン)を形成する際、上下層のパターン間の重ね合わせ精度が、半導体素子の性能を左右するものとして重要な評価項目となっている。

従来、上下層のパターン間の重ね合わせ評価は、特許文献１にあるように、あらかじめウエハ上に作り込まれた、重ね合わせ評価用パターンの光学像を取得し、画像解析により各層間のずれ量を評価していた。本手法により十分な重ね合わせ評価精度を得るためには、十分な分解能の光学像を取得することが必要である。これに対し、近年の半導体パターン微細化に伴い、必要な重ね合わせ評価精度も厳しくなり、取得可能な光学像の分解能では、必要な重ね合わせ評価精度が得られなくなってきた。

これを解決する手段として、特許文献２にあるような、あらかじめウエハ上に作り込まれた、重ね合わせ評価用パターンの分光波形を取得し、波形解析により各層間のずれ量を算出する方法が使われている。本手法を用いることで、十分な重ね合わせ評価精度を得ることができるようになっている。

特開平６−２０２３１１号公報 特開２００１−２７２２０７号公報

パターンの微細化技術として、同一層上に異なる露光ステップでパターンを作り込み、高密度パターンを実現する、ダブルパターンニング（ＤＰ）の開発と実用化が進んでいる。ダブルパターンニング技術のひとつである、２重露光技術について図１０を用いて説明する。まずウエハ(基板)１０００上に形成された下層膜１００１上にレジストを塗布して第１のレジスト膜１００２を形成し（図１０（ａ））、これを露光および現像することで、１回目の露光によるレジストパターン１００２ａを形成する（図１０（ｂ））。次に、このレジストパターン１００２ａをフリージングさせ２回目の露光において感光しないように処理する（図１０（ｃ））。この上に２回目露光用のレジストを塗布して第２のレジスト膜１００３を形成し（図１０（ｄ））、２回目の露光により、１回目の露光によるパターンの隙間にレジストパターン１００３ａを形成する（図１０（ｅ））。以上の手法を用いることにより、１回の露光でレジストパターンの形成が可能な最小ピッチの半分のピッチで、レジストパターンを形成することが可能となる。

本技術の実用化に伴い、上下層のパターン間のずれのみならず、同一層上に異なる露光ステップで作り込まれたパターン間での重ね合わせ評価が必要となっている。しかしながら、特許文献２における分光波形解析による重ね合わせ評価手法では、上下層のパターンの識別は可能だが、同一層上にあるパターンの重ね合わせ評価を行う場合に、各露光ステップパターンの識別をすることができないという課題があり、相対的なずれ量の評価はできるものの、ずれ方向を評価することができない。つまり、評価結果を露光プロセスに適切にフィードバックして、ずれを修正することができない。

また、パターンの微細化に伴い重ね合わせ精度への要求が厳しくなると共に、マスクの製造誤差や、露光時のショット内（一度の露光光照射で露光される領域内。１ショットで１チップ〜数チップ分が露光される）のひずみ等が無視できなくなり、露光ショットごとのマスク全体の合わせずれのみならず、露光ショット内における複数点での重ね合わせ評価が必要となっている。特許文献２による重ね合わせ評価では、あらかじめ作り込まれた評価専用パターンを用いる必要がある。この評価専用パターンは、最低数ミクロン程度の領域における繰り返しパターンである必要があるため、ショット内に複数箇所の専用パターンを分散させて配置することは、現実的でない。このことから、従来の重ね合わせ評価手法では、露光ショット内の任意の位置における重ね合わせ評価ができないという課題がある。

本発明の目的は、露光ショット内の任意の位置で合わせずれ量とずれ方向とを評価することが可能な重ね合わせ評価方法を提供することにある。

上記目的を達成するための一形態として、第１の露光ステップで試料上に形成された第１のパターンと第２の露光ステップで前記試料上に形成された第２のパターンとを用いるパターンの重ね合わせ評価方法であって、前記第１パターンと前記第２パターンとが配置されるべきレイアウトの情報をデータベースに登録するステップと、前記試料上に形成された前記第１のパターン及び前記第２のパターンの画像を荷電粒子顕微鏡により取得するステップと、前記データベースに登録されている前記レイアウトの情報と前記画像とを比較し、前記第１のパターンと前記第２のパターンのずれ量とずれの方向とを求めるステップとを有することを特徴とするパターンの重ね合わせ評価方法とする。

露光ショット内の任意の位置で合わせずれ量とずれ方向とを評価することが可能な重ね合わせ評価方法を提供することができる。

第１の実施例の説明図で、（ａ）は走査電子顕微鏡システム、（ｂ）は重ね合わせ評価フローを示す。 重ね合わせ評価パターンの概略図で、（ａ）は第１パターンと第２パターンが含まれる評価パターン領域、（ｂ）は第１パターンの輪郭線、（ｃ）は第２パターンの輪郭線、（ｄ）は理想的位置座標に配置された第１パターンと第２パターンの輪郭線を示す。 ウエハ上にある任意のパターンを重ね合わせ評価パターンとして設定する場合のレイアウト情報登録手順の説明図で、（ａ）はレイアウト登録フロー、（ｂ）は重ね合わせ評価対象パターンの電子顕微鏡画像の模式図、（ｃ）は評価対象パターン領域、（ｄ）は第１パターンの輪郭線、（ｅ）は第２パターンの輪郭線、（ｆ）は理想的位置座標に配置された第１パターンと第２パターンの輪郭線を示す。 設計データから、重ね合わせ評価に適したパターンを自動的に選択する場合のレイアウト情報登録手順の説明図で、（ａ）はレイアウト登録フロー、（ｂ）は設計データから選択された重ね合わせ評価対象パターン、（ｃ）は第１パターン及び第２パターンの設計上の配置を示す。 レイアウト情報が既知の重ね合わせ評価パターンをウエハ上に作りこんでおく場合のレイアウト情報登録手順の説明図で、（ａ）はレイアウト登録フロー、（ｂ）は重ね合わせ評価に適した第１パターン、第２パターンを含む評価パターン領域、（ｃ）は第１パターン及び第２パターンの設計上の配置を示す。 パターンのずれ量とずれ方向算出の説明図で、（ａ）はパターンのずれ量とずれ方向算出フロー図、（ｂ）は評価対象パターンを含む走査電子顕微鏡画像の模式図、（ｃ）は第１パターンに関する取得画像とレイアウト情報との比較図、（ｄ）は第２パターンに関する取得画像とレイアウト情報との比較図を示す。 重ね合わせ評価結果を表示するＧＵＩの一例を示す図である。 実施例２に係る重ね合わせ評価と測長を同時に行なう手法の説明図で、（ａ）は全体フロー図、（ｂ）は重ね合わせ評価用パターン兼寸法計測パターンの走査電子顕微鏡画像の模式図、（ｃ）は第１パターンに関する取得画像とレイアウト情報との比較図、（ｄ）は第２パターンに関する取得画像とレイアウト情報との比較図を示す。 実施例３に係る重ね合わせ評価と測長を同時に行なう手法の全体フロー図である。 ２重露光技術を説明するための露光ステップ断面図で、（ａ）は第１のレジスト塗布ステップ、（ｂ）は第１回目の露光、現像ステップ、（ｃ）は第１回目の現像後の第１のレジストフリージングステップ、（ｄ）は第２のレジスト塗布ステップ、（ｅ）は第２回目の露光、現像ステップを示す。 重ね合わせ評価パターンの配置図で、（ａ）はウエハ上配置、（ｂ）はチップ内配置を示す。 位置決め用パターン、自動焦点合わせ用パターン及び寸法評価パターンのレイアウトの一例を示す平面図である。

以下に、本発明による、荷電粒子顕微鏡の一例として、走査電子顕微鏡を用いた微細パターンの重ね合わせ評価手法について、図を用いて説明する。

本実施例に係る走査電子顕微鏡による半導体パターンの重ね合わせ評価手法に関して、走査電子顕微鏡システムの構成と全体フローを述べた後、各ステップについて詳述する。
［走査電子顕微鏡システム］
図１（ａ）に、本実施例による重ね合わせ評価機能を備えた走査電子顕微鏡システムの構成を示す。本実施例による走査電子顕微鏡システムは、走査電子顕微鏡本体１０と画像処理・全体制御部１０９、ＰＣ１１０で構成され、ネットワークを介してデータサーバ１２０と繋がっている。

走査電子顕微鏡(荷電粒子顕微鏡)本体１０は、電子銃(荷電粒子発生源)１０１、電子銃１０１から発射された電子線(荷電粒子線)１０２を加速する加速電極１０３、集束レンズ１０４、電子線１０２の軌道を偏向させる偏向電極１０５、電子線１０２の収束する焦点位置がパターンが形成された試料１０７の表面に位置するように電子線１０２の焦点位置を制御する対物レンズ１０６、電子線１０２が照射された試料１０７から発生した２次電子（試料からの信号）の一部を検出する検出器１０８で構成される。この検出器１０８の検出信号は画像処理・全体制御部１０９に送られて処理され、走査電子顕微鏡画像が得られる。この走査電子顕微鏡画像が、ＰＣ１１０内の記憶部１１１に蓄積されている情報を用いて、ＰＣ１１０内の演算処理部１１２によって処理され、重ね合わせに関連する情報が抽出される。その結果は通信回線を介してデータサーバ１２０へ送られて記憶される。

試料１０７はテーブル(試料台)１５０に載置され、試料上の所望の領域が電子線１０２の照射領域に位置するように、テーブル１５０が画像処理・全体制御部１０９で制御される。
ＰＣ１１０は、記憶部１１１、演算処理部１１２、表示画面を備えた入出力部１１３を備えている。
［全体フロー］
図１（ｂ）に、演算処理部１１０で行う、重ね合わせ評価の全体フローを示す。
（Ｓ１）：走査電子顕微鏡本体１０にて、試料１０７に形成されていた重ね合わせ評価パターンを撮像し、撮像して得られた信号を画像処理・全体制御部１０９で処理して、走査電子顕微鏡画像を得る。
（Ｓ２）：演算処理部１１２において、あらかじめ記憶部１１１に登録しておいた、評価パターンのレイアウト情報と、取得した走査電子顕微鏡画像を照合し、各プロセス(露光)ステップのパターンのずれ量と方向を算出する。
（Ｓ３）：算出した、各プロセス(露光)ステップのパターンずれ量と方向が、入出力部１１３に表示される。
以上が、重ね合わせ評価の全体フローである。各フローの詳細を、以下に説明する。
［重ね合わせ評価パターン］
重ね合わせ評価に用いるパターンの詳細を説明する。

重ね合わせ評価パターンの例を、図２（ａ）に示す。本例は、図２のＸ方向へのパターンずれ量と、回転ずれ角度を算出することを目的としている。重ね合わせ評価パターンは、その領域(評価パターン領域)２０２内において、評価対象とする各プロセスステップで作られたパターンを含む。図２（ａ）に示す例では、２重露光プロセスにおける、１回目露光によるパターン２０３（以下、第１パターンと記す）と、２回目露光によるパターン２０４（以下、第２パターンと記す）の両方を含む。

また、第１パターン２０３は、第２パターン２０４とは異なる形状のパターンを含む。また、重ね合わせ評価パターンには、評価したいずれ方向と平行な方向へ長く続く直線パターン以外のパターンを含む。

パターンの大きさに限定はないが、一般的に線幅およびピッチの小さなパターンほどプロセスマージンが小さく、プロセス管理の重要性が高いことから、例えば、最小ピッチ９０ｎｍのプロセスでパターンが形成される場合には、同程度のピッチのパターンであることが望ましい。この場合、図２（ａ）に示すような重ね合わせ評価パターンでは、パターン領域２０２の大きさが、おおよそ４００ｎｍ四方となり、従来（数マイクロメートル以上）と比較して、数分の一に小さくすることが可能である。

図２のＹ方向へのパターンずれ量を評価する場合には、図２（ａ）に示したパターンを９０度回転させたパターンを用いる。また、図２のＸ方向、Ｙ方向へのパターンずれ量を同時に評価する場合には、図２（ａ）に示したパターンと、これを９０度回転させたパターンの両方を含むパターンを用いる。

なお、本実施例では、２重露光プロセスにおける１回目露光パターンを第１パターン、２回目露光パターンを第２パターンとしたが、第１パターンと第２パターンは、各々、上層パターンと下層パターンの組み合わせでも良い。
［レイアウト情報の内容］
図１（ｂ）のＳ２のステップで用いる、記憶部１１１に登録された、重ね合わせ評価パターンのレイアウト情報の詳細を説明する。

重ね合わせ評価に必要な情報は、パターン形状、パターン各部のプロセスステップ情報（第１パターンと第２パターンの識別）、各プロセスステップにより作成するパターン間での理想的な位置関係もしくは距離、および評価パターンのウエハ内およびショット内における位置座標である。

図２（ａ）に示した重ね合わせ評価パターンを例に挙げると、図２（ｂ）、図２(ｃ)、図２（ｄ）に示すように、第１パターンの輪郭線２０６、第２パターンの輪郭線２０７、および第１パターンに対する第２パターンの理想的な相対位置座標２０８が、レイアウト情報として登録される。
［レイアウト情報登録手順］
これらのレイアウト情報を、走査電子顕微鏡システムの記憶部１１１に登録する手順を説明する。手順として、（１）ウエハ上にある任意のパターンを重ね合わせ評価パターンとして設定する場合、（２）設計データから、重ね合わせ評価に適したパターンを自動的に選択する場合、（３）あらかじめレイアウト情報が既知の重ね合わせ評価パターンを、ウエハ上に作りこんでおく場合の３つのケースについて説明する。

（１）ウエハ上にある任意のパターンを重ね合わせ評価パターンとして設定する場合の、レイアウト情報登録フローを、図３（ａ）に示す。
（Ｓ３１）：図３（ｂ）に示すように、重ね合わせ評価対象としたいパターンを含む走査電子顕微鏡画像３０１を取得する。撮像対象がレジストパターンであることから、サンプルへのダメージの両方を考慮した撮像条件で、画像を取得する。例えば、サンプルへ打ち込む一次電子の加速電圧は５００Ｖとする。また、重ね合わせ評価用パターン領域の大きさが４００ｎｍ四方程度であることから、撮像視野はこれより大きくなるように設定し、パターンの輪郭線を先鋭に取得するため、画素サイズは１ｎｍ四方程度となるように撮像する。
（Ｓ３２）：取得した画像から評価対象パターンの領域３０２を選択する。
（Ｓ３３）：図３（ｃ）に示すように、選択された評価対象パターンの領域３０２において、パターンの輪郭線３０３を抽出する。輪郭線の抽出方法は、ユーザーが入出力部１１３を用いて決定する他、演算処理部１１２において、自動抽出を行う手段も含む。
（Ｓ３４）：図３（ｄ）、図３（ｅ）に示すように、各輪郭線３０３におけるプロセスステップごとにパターンを登録することで、第１パターン３０６と第２パターン３０７を識別し、記憶する。登録方法は、ユーザーがＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）上に示された輪郭線データに対し、パターンごとにプロセスステップを指定することで、登録する。
（Ｓ３５）：登録した各プロセスステップのパターン（３０６、３０７）が、理想的な相対位置関係になるように、座標を補正した輪郭線データ（図３（ｆ））を記憶部１１１に登録する。

（２）設計データから、重ね合わせ評価に適したパターンを自動的に選択する場合の、レイアウト情報登録フローを、図４（ａ）に示す。
（Ｓ４１）：図４（ｂ）に示すように、評価対象とする複数のプロセスステップの設計データ４０１から、重ね合わせ評価に適したパターンを含む評価パターン領域４０２を自動的に選択する。自動選択の際には、あらかじめ指定した設計データの検索エリア内において、あらかじめ指定した評価対象とする複数のプロセスステップのパターンの中から、重ね合わせ評価に適したパターンを検索する。重ね合わせ評価に適したパターンの詳細については、先述の［重ね合わせ評価パターン］の項で説明した通りである。この他に、適切な評価パターンサイズ、評価パターン領域の大きさや、評価対象とする方向等の検索条件を与えても良い。
（Ｓ４２）：Ｓ４１のステップにおいて選択した、重ね合わせ評価パターンの設計データ（第１パターンの輪郭線４０６、第２パターンの輪郭線４０７、各パターンの位置情報等を含む）（図４（ｃ））を、各プロセスステップのパターンごとに、記憶部１１１に登録する。
なお、Ｓ４１のステップにおいて、重ね合わせ評価に適したパターンを自動的に選択する代わりに、ユーザーが設計データから、任意に選択しても良い。

（３）あらかじめ、レイアウト情報が既知の重ね合わせ評価パターンをウエハ上に作りこんでおく場合の、レイアウト情報登録フローを、図５（ａ）に示す。
（Ｓ５１）：図５（ｂ）に示すように、重ね合わせ評価に適した第１パターン５０３、第２パターン５０４を含む評価パターン領域５０２を、プロセスステップごとに、評価ウエハ上に作りこむ。重ね合わせ評価に適したパターンの詳細については、先述の［重ね合わせ評価パターン］の項で説明した通りである。
（Ｓ５２）：Ｓ５１のステップにおいてウエハ上に作りこんだ、重ね合わせ評価パターンの設計データ（第１パターンの輪郭線５０６、第２パターンの輪郭線５０７、各パターンの位置情報等を含む）（図５（ｃ））を、各プロセスステップのパターンごとに、記憶部１１１に登録する。

以上の手段により、あらかじめ重ね合わせ評価パターンのレイアウト情報を記憶部１１１に登録しておく。
［パターンのずれ量とずれ方向算出］
図１（ｂ）のＳ２のステップにおける、パターンのずれ量と方向算出フローを、図６（ａ）に示す。

（Ｓ６１）：図６（ｂ）に示すように、評価対象パターンを含む走査電子顕微鏡画像６００を取得する。撮像対象がレジストであることから、サンプルへのダメージの両方を考慮した撮像条件で、画像を取得する。例えば、サンプルへ打ち込む一次電子の加速電圧は５００Ｖとする。また、重ね合わせ評価用パターンの大きさが４００ｎｍ程度であることから、撮像視野はこれより大きくなるように設定し、パターンの輪郭線を先鋭に取得するため、画素サイズは１ｎｍ程度となるように撮像する。（Ｓ３１と同じ）
（Ｓ６２）：図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように、取得した走査電子顕微鏡画像６００と、データベースに登録されていた、プロセスステップごとのパターン形状情報（第１パターンの輪郭線６０６、第２パターンの輪郭線６０７）のマッチングを行い、登録された各プロセスステップのパターン形状情報に対する、走査電子顕微鏡画像のずれ量ｄＸ１（６５３）、ｄＸ２（６５５）、回転量ｄθ１（６５４）、ｄθ２（６５６）を算出する。

（Ｓ６３）：式（１）および（２）に従って、プロセスステップ間での相対的な、ずれ量ｄＸ、ずれ方向、回転量ｄθ、回転方向を算出する。
ｄＸ＝ｄＸ２−ｄＸ１ （１）
ｄＸ＞０；第２パターンは第１パターンに対し右に｜ｄＸ｜ずれている
ｄＸ≦０；第２パターンは第１パターンに対し左に｜ｄＸ｜ずれている
ｄθ＝ｄθ２−ｄθ１ （２）
ｄθ＞０；第２パターンは第１パターンに対し時計回りに｜ｄθ｜回転
ｄθ≦０；第２パターンは第１パターンに対し反時計回りに｜ｄθ｜回転
以上のステップにより、第１パターンに対する第２パターンのずれ量、回転量だけでなく、ずれ方向、回転方向を明らかにすることができた。
［重ね合わせ評価パターンのレイアウト］
重ね合わせ評価時の、ウエハ上およびチップ上における、重ね合わせ評価パターンのレイアウトの例を図１１に示す。

露光装置の合せ精度を評価するには、図１１（ａ）に示すように、ウエハ１１１１上の各チップに、重ね合わせ評価パターン領域１１０２を設定し、評価を行う。ウエハ面内で、重ね合わせずれ量やずれ方向が異なる場合には、その結果を露光装置のショット位置補正にフィードバックすることで、重ね合わせ精度の向上が期待される。

露光装置の収差、マスクデザインによる転写特性による、ショット内での重ね合わせ評価を行うには、図１１（ｂ）に示すように、同一ショットで露光されたチップ１１１２内に、複数の重ね合わせ評価パターン領域１１０２を設定し、評価を行う。本実施例で説明した重ね合わせ評価パターン領域１１０２の大きさは４００ｎｍ四方程度であることから、各辺数センチ程度のチップ内に、重ね合わせ評価パターン領域を複数個含む領域を作りこんだとしても、集積密度への影響を小さくできる。なお、収差補正は1ショット内で行うため、１ショットで複数チップを露光する場合には、複数チップ内に評価パターン領域を分散して形成すればよく、１チップ当たりの評価パターン領域の数を減らすことができる。
［ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）］
図１（ｂ）のＳ３のステップで、走査電子顕微鏡システムの入出力部１１３に表示される、重ね合わせ評価結果のＧＵＩの例を図７に示す。

表示画面７００上にある、重ね合わせ評価レシピ選択ボタン７０１により、結果を表示したいデータセットを選択し、結果表示ボタン７０８を押下すると、結果が表７０２に出力される。表７０２には、各データのチップ番号７０３、チップ内座標７０４、第１パターンに対する第２パターンのＸ方向のずれ量７０５、Ｙ方向のずれ量７０６および回転角７０７が含まれる。また、重ね合わせ評価画像選択ボタン７０９により表示したい画像を選択すると、画像表示部７１０に、走査電子顕微鏡画像およびレイアウト情報が表示される。

また、この結果に基づき、ウエハ面内での合わせずれ量分布７１１が表示される。さらに、表示画面上にある、チップ番号選択ボタン７１２によりチップを選択すると、該当するチップ上における合わせずれ量分布７１３が表示される。チップ番号選択ボタン７１２では、特定のチップを選択できる他に、チップの平均を表示することを選択できる。なお、画面表示にあたり、図７では画像表示部７１０、表７０２、ウエハ面内での合わせずれ量分布７１１、チップ上における合わせずれ量分布７１３等々が一画面に表示されるように記載したが、一つの結果を一画面、二つの結果を一画面、三つの結果を一画面となるように表示してもよい。

走査電子顕微鏡を用いて、微小な領域での重ね合わせ評価が可能となることで、ウエハ面内だけでなくチップ内での重ね合わせずれ量分布の評価が可能となる。ウエハ面内の評価結果に基づき、露光装置の合わせ誤差を修正することが出来る。また、チップ内での評価結果に基づき、露光装置の収差補正を行うことができる。露光プロセス条件を最適化することで、チップ内での合わせずれ補正が可能となり、半導体製造プロセスにおける歩留まり向上が期待できる。

本実施例では、パターン形状情報として輪郭線情報を例に挙げたが、輪郭線の代わりに、パターン領域や、パターンの中心座標と置き換えても良い。

本実施例で説明した重ね合わせ評価パターンは、パターン寸法評価用パターンや、パターン形状評価用パターンを兼ねても良い。また、重ね合わせ評価パターンは、走査電子顕微鏡を用いた自動寸法計測シーケンスにおいて必要な、自動焦点合わせ用のパターンや、位置決め用のパターンなどを兼ねても良い。

レイアウトの例を図１２に示す。自動寸法計測においては、まず位置決め用パターン１２０１に移動して、より高精度な座標位置の校正を行う。次に自動焦点合わせ用パターン１２０２において焦点合わせを行った後、寸法評価座標１２０３に移動して撮像および寸法計測を行う。このシーケンスにおいて、自動焦点合わせ時に取得される画像、もしくは、位置決め用に取得される画像を用いて、同時に重ね合わせ評価を行うことが可能となる。なお、破線で示したパターン１２２０が一回目の露光で形成されたパターン、実線で示したパターン１２２１が二回目の露光で形成されたパターンを示す。

以上、半導体集積回路装置を製造する際に用いられるパターン(半導体パターン)を例に説明を行なったが、本手法は、特に、よりパターン密度が高く，寸法管理精度も厳しい，ゲートパターン形成のためのＤＰ工程での重ね合わせ評価に適用して有効である。ゲート形成のためのＤＰ工程では、１回目と２回目の主パターンは繰り返しパターンであることが多く，ずれ方向を求めるために、重ね合わせ評価用の第１パターンと第２パターンとでは異なるように予め適切なデザインのパターンを選ぶことが必要である。なお、半導体パターンに限らず、微細なパターンの重ね合わせ評価に用いることも出来る。

本実施例によれば、露光ショット内の任意の位置で合わせずれ量とずれ方向とを評価することが可能な重ね合わせ評価方法を提供することが出来る。これにより、露光プロセスにフィードバックすることで高精度な重ね合わせ管理が可能となる。また、合わせずれ量とずれ方向の評価結果が容易に得られる、重ね合わせ評価に好適な荷電粒子顕微鏡を提供することが出来る。

実施例１で説明した手法による、走査電子顕微鏡による半導体パターンの重ね合わせ評価を、走査電子顕微鏡による半導体パターンの寸法計測と同時に行う手法に関して、全体フローを述べた後、各ステップについて詳述する。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は実施例１と同様である。
［全体フロー］
図８（ａ）に、走査電子顕微鏡１０において行う、寸法計測および重ね合わせ評価を同時に行う場合の、全体フローを示す。

（Ｓ８１）：走査電子顕微鏡１０にて、重ね合わせ評価用パターンを兼ねた寸法計測パターンを撮像し、撮像して得られた信号を画像処理・全体制御部１０９で処理して、図８（ｂ）に示すような走査電子顕微鏡画像８００を得る。撮像対象がレジストであることから、サンプルへのダメージの両方を考慮した撮像条件で、画像を取得する。例えば、サンプルへ打ち込む一次電子の加速電圧は５００Ｖとする。また、重ね合わせ評価用パターンを兼ねた寸法計測パターンの大きさが４００ｎｍ程度であることから、撮像視野はこれより大きくなるように設定し、パターンの輪郭線を先鋭に取得するため、画素サイズは１ｎｍ程度となるように撮像する。

（Ｓ８２）：演算処理部１１２において、あらかじめ記憶部１１１に登録しておいた、評価パターンのレイアウト情報と走査電子顕微鏡画像を照合し、図８（ｃ）、図８（ｄ）の第１パターン８０１および第２パターン８０２に示すように、各プロセスステップのパターンの識別を行う。
（Ｓ８３）：識別した、各プロセスステップのパターンにおいて、パターンの寸法計測を行う。

（Ｓ８４）：ステップ８３と同時に、識別した各プロセスステップのパターンの走査電子顕微鏡画像と、あらかじめ記憶部１１１に登録しておいた、評価パターンのレイアウト情報とを照合し、各プロセスステップのパターンのずれ量と方向を算出する。
（Ｓ８５）：算出した、各プロセスステップのパターン寸法、および重ね合わせずれ量とずれ方向が、入出力部１１３に表示される。

以上が、重ね合わせ評価を兼ねた寸法計測手順の全体フローである。各フローの詳細を、以下に説明する。
［重ね合わせ評価を兼ねた寸法計測パターン］
重ね合わせ評価を兼ねた寸法計測パターンの詳細を説明する。本パターンは、パターン製造プロセスにおいて、プロセス管理のために寸法を計測すべきパターン種において、実施例１の重ね合わせ評価パターンの条件を満たしているものとする。

パターンの例を、図２（ａ）に示す。図２（ａ）に示す例では、各プロセスのパターンピッチが、本パターンの製造プロセスにおいて、プロセスマージンが比較的小さい、高密度パターンとなっている。同時に、実施例１の重ね合わせ評価パターンで説明した条件を満たしていることから、重ね合わせ評価を兼ねた寸法計測パターンといえる。
［レイアウト情報］および［レイアウト情報登録手順］および［パターンのずれ量と方向算出］および［ＧＵＩ］については、実施例１で説明した内容と重複するため、説明を省略する。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果が得られる。さらに、パターンの寸法計測と重ね合わせ評価を同時に行うことで、従来から行っていた寸法計測と同じ所要時間で、重ね合わせ評価まで行える他、寸法計測においても、各プロセスステップを識別した計測を行うことが可能となる。

（位置決めマークで重ね合わせ評価＋測長）
実施例１で説明した手法による、走査電子顕微鏡による半導体パターンの重ね合わせ評価を、走査電子顕微鏡による半導体パターンの寸法計測と同時に行う手法に関して、全体フローを述べた後、各ステップについて詳述する。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は実施例１と同様である。
［全体フロー］
図９に、走査電子顕微鏡１０において行う、寸法計測および重ね合わせ評価を同時に行う場合の、全体フローを示す。

（Ｓ９１）：走査電子顕微鏡１０にて、重ね合わせ評価用パターンを兼ねた寸法計測パターンの位置決め用パターンを撮像し、撮像して得られた信号を画像処理・全体制御部１０９で処理して、走査電子顕微鏡画像を得る。撮像対象がレジストであることから、サンプルへのダメージの両方を考慮した撮像条件で、画像を取得する。例えば、サンプルへ打ち込む一次電子の加速電圧は５００Ｖとする。また、位置決め前の位置決め精度を考慮して、撮像視野を設定し、パターンの輪郭線を先鋭に取得するため、画素サイズは１ｎｍ程度となるように撮像する。

（Ｓ９２）：ステップ９１における撮像座標と撮像した走査電子顕微鏡画像中のパターン位置の関係を評価し、あらかじめ登録された寸法計測パターンへの移動量を算出する。
（Ｓ９３）：ステップ９２の算出結果に基づき、寸法計測パターンの撮像位置へ移動し、寸法計測パターンを撮像し、撮像して得られた信号を画像処理・全体制御部１０９で処理して、走査電子顕微鏡画像を得る。

（Ｓ９４）：ステップ９３で得られた走査電子顕微鏡画像から、寸法計測パターンの寸法を計測する。
（Ｓ９５）：ステップ９２から９４と同時に、ステップ９１で取得した、重ね合わせ評価用パターンを兼ねた寸法計測パターンの位置決め用パターンの走査電子顕微鏡画像と、あらかじめ記憶部１１１に登録しておいた評価パターンのレイアウト情報とを、演算処理部１１２において、照合し、各プロセスステップのパターンのずれ量と方向を算出する。
（Ｓ９６）：算出した、各プロセスステップのパターン寸法、および重ね合わせずれ量とずれ方向が、入出力部１１３に表示される。

以上が、重ね合わせ評価を兼ねた寸法計測手順の全体フローである。各フローの詳細を、以下に説明する。
［重ね合わせ評価を兼ねた寸法計測パターンの位置決め用パターン］
重ね合わせ評価を兼ねた寸法計測パターンの位置決め用パターンの詳細を説明する。本パターンは、寸法計測パターンの位置決めのためのパターンマッチングに適したパターンにおいて、実施例１の重ね合わせ評価パターンの条件を満たしているものとする。パターンの例を、図２（ａ）に示す。パターンマッチングに適したパターンの条件は、繰り返しパターン以外のユニークなパターンが存在すること、および、寸法計測パターンへの移動方向に対し、同じ方向へ続くパターン以外のパターンが存在することといった、重ね合わせ評価用パターンの条件と類似の条件であることから、重ね合わせ評価用のパターンを、寸法計測パターンの位置決め用パターンに選定しやすい特徴がある。
［レイアウト情報］および［レイアウト情報登録手順］および［パターンのずれ量と方向算出］および［ＧＵＩ］については、実施例１で説明した内容と重複するため、説明を省略する。

本実施例においては、寸法計測パターンの位置決め用パターンと、重ね合わせ評価用パターンとを兼ねる手順について説明したが、寸法計測パターンの位置決め用パターンの他に、走査電子顕微鏡でのパターン寸法計測に必要な、他の画像取得用パターンと兼ねてもよい。

本実施例に拠れば、実施例１と同様の効果が得られる。さらに、パターンの寸法計測と、重ね合わせ評価とを同時に行うことで、従来から行っていた寸法計測と同じ所要時間で、重ね合わせ評価まで行うことが可能となる。

１０…走査電子顕微鏡本体、１０１…電子銃、１０２…電子線、１０３…加速電極、１０４…収束レンズ、１０５…偏向電極、１０６…対物レンズ、１０７…試料、１０８…検出器、１０９…画像処理・全体制御部、１１０…ＰＣ、１１１…記憶部、１１２…演算処理部、１１３…入出力部、１２０データサーバ、１５０…試料台、２０２，３０２，５０２、１１０２…評価パターン領域、２０３、５０３…第１パターン、２０４、５０４…第２パターン、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６…第１パターンの輪郭線、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７…第２パターンの輪郭線、６００，８００…走査電子顕微鏡画像、６５３、６５５…Ｘ方向のずれ量、６５４、６５６…回転量、７００…表示画面、７０１…重ね合わせ評価レシピ選択ボタン、７０８…結果表示ボタン、７０９…重ね合わせ評価画像選択ボタン、７１０…画像表示部、７１１…ウエハ面内での合わせずれ量分布、７１２…チップ番号選択ボタン、７１３…チップ上における合わせずれ量分布、１０００、１１１１…基板（ウエハ）、１００１…下層膜、１００２…第１のレジスト膜、１００２ａ…第１のレジストパターン、１００３…第２のレジスト膜、１００３ａ…第２のレジストパターン、１１１２…チップ。

Claims (15)

1. 第１の露光ステップで試料上に形成された第１パターンと第２の露光ステップで前記試料上に形成された第２パターンとを用いるパターンの重ね合わせ評価方法であって、
   前記第１パターンと前記第２パターンとが配置されるべきレイアウトの情報をデータベースに登録するステップと、
   前記試料上に形成された前記第１パターン及び前記第２パターンの画像を荷電粒子顕微鏡により取得するステップと、
   前記データベースに登録されている前記レイアウトの情報と前記画像とを比較し、前記第１パターンと前記第２パターンのずれ量とずれの方向とを求めるステップとを有することを特徴とするパターンの重ね合わせ評価方法。
2. 請求項１記載のパターンの重ね合わせ評価方法において、
   前記レイアウトの情報は、
   予め形成された前記第１パターンと前記第２パターンの画像を荷電粒子顕微鏡により取得するステップと、
   前記画像が含まれる評価パターン領域を選択するステップと、
   前記第１パターンと前記第２パターンの輪郭線を抽出するステップと、
   前記第１パターンと前記第２パターンとの相対位置座標を理想位置に補正するステップとを経て求められた補正された輪郭線データを含むことを特徴とするパターンの重ね合わせ評価方法。
3. 請求項１記載のパターンの重ね合わせ評価方法において、
   前記レイアウトの情報は、前記第１パターンと前記第２パターンの設計データから選択された情報が含まれることを特徴とするパターンの重ね合わせ評価方法。
4. 請求項３記載のパターンの重ね合わせ評価方法において、
   前記選択は、前記第１パターンと前記第２パターンの設計データから自動選択されたものであることを特徴とするパターンの重ね合わせ評価方法。
5. 請求項１記載のパターンの重ね合わせ評価方法において、
   前記レイアウトの情報には、前記第１パターン及び前記第２パターンの形状情報、プロセスステップ情報、前記第１パターン及び前記第２パターン間での目標相対位置情報が含まれることを特徴とするパターンの重ね合わせ評価方法。
6. 請求項１記載のパターンの重ね合わせ評価方法において、
   前記第１パターンと前記第２パターンの少なくとも一者は、寸法計測パターンを兼ねており、重ね合わせ評価と合わせて寸法評価も行なうことを特徴とするパターンの重ね合わせ評価方法。
7. 請求項１記載のパターンの重ね合わせ評価方法において、
   前記第１パターンと前記第２パターンの少なくとも一者は、寸法計測パターンの位置決め用パターンを兼ねており、前記位置決め用パターンの位置に基づいて前記寸法計測用パターンの位置を求めることにより、重ね合わせ評価と合わせて寸法評価も行なうことを特徴とするパターンの重ね合わせ評価方法。
8. 荷電粒子発生源と、
   前記荷電粒子発生源から放出された荷電粒子を偏向する偏向電極と、
   第１の露光ステップおよび第２の露光ステップで形成された重ね合わせ評価パターンを備えた試料を載せる試料台と、
   前記評価パターンへの前記荷電粒子の照射により前記評価パターンからの信号を検出する検出器と、
   前記検出器からの検出信号を処理して画像を得る画像処理全体制御部と、
   前記重ね合わせ評価パターンのレイアウト情報が登録される記憶部と、
   前記画像と前記レイアウト情報とを用いて演算する演算処理部と、
   前記演算処理部での演算結果に基づき、前記第１の露光ステップと前記第２の露光ステップとの重ね合わせずれ量と、ずれの方向とを含む情報を表示する表示画面を備えた入出力部とを有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
9. 請求項８記載の荷電粒子顕微鏡において、
   前記レイアウト情報には、前記重ね合わせ評価パターンの形状情報、プロセスステップ情報、位置情報が含まれることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
10. 請求項８記載の荷電粒子顕微鏡において、
    前記入出力部は、重ね合わせ評価レシピ選択機能、重ね合わせ評価画像選択機能を有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
11. 請求項８記載の荷電粒子顕微鏡において、
    前記試料は、複数のチップ領域を有するウエハであり、
    前記入出力部は、前記ウエハの面内での合わせずれ量分布を前記表示画面に表示するための選択機能、および前記チップの面内における合わせずれ量分布を前記表示画面に表示するためのチップ選択機能を有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
12. 請求項８記載の荷電粒子顕微鏡において、
    前記重ね合わせ評価パターンは、前記第１の露光ステップで形成される第１パターンと前記第２の露光ステップで形成される第２パターンとを含むことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
13. 請求項１２記載の荷電粒子顕微鏡において、
    前記第１パターンと前記第２パターンとは形状が異なることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
14. 請求項８記載の荷電粒子顕微鏡において、
    前記重ね合わせ評価パターンは寸法計測パターンを兼ね、前記寸法計測パターンの計測結果は前記表示画面に表示されることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
15. 請求項８記載の荷電粒子顕微鏡において、
    前記重ね合わせ評価パターンは、寸法計測用位置決めパターンを兼ね、寸法計測結果は前記表示画面に表示されることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。

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