JP2014001927A - オーバーレイ誤差測定装置、及びコンピュータープログラム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、オーバーレイ誤差以外のパターンのずれを補正し、高精度なオーバーレイ誤差測定を行うオーバーレイ誤差測定装置の提供を目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するために本発明では、オーバーレイ誤差測定装置であって、荷電粒子線装置によって得られた信号を用いて、異なるレイヤに属する複数のパターン間の寸法を測定すると共に、当該寸法の測定の際に、光近接効果によるパターンのシフト分を補正して前記複数のパターン間の寸法測定を実行するオーバーレイ誤差測定装置を提案する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、半導体を測定する測定装置、コンピューターに測定を実行させるコンピュータープログラム、或いはその記憶媒体に係り、特に複数のレイヤが積層された試料のオーバーレイ誤差を測定するのに好適な測定装置等に関する。

昨今、半導体デバイス製造に於ける微細化技術の進展により、製造パターンの微細化は目覚しく、半導体生産における検査・計測において高倍率計測が必要となっている。特に半導体製造工程では各種超解像度技術（ＲＥＴ）を駆使して、レイヤ毎に高度な露光やエッチング等のプロセス処理を行い、次のレイヤとの重ね合わせを行い順次、回路パターンを形成する。

この場合の重ね合わせの管理は専用の位置合わせマークを用いて光学式の検査装置を用いて行っている。

具体的には露光の単位であるショット領域の周辺（例えば四隅）に重ね合わせのための専用パターンを配置しこの形状の重ね合わせ状況を、光学式検査装置を用いて管理しているが、高い歩留まりを実現するためには高精度な重ね合わせ管理が重要であり、光学式での管理が限界に近づいている。

また、光学式の方式では露光装置のレンズ収差による転写パターンの歪み等の影響による重ね合わせ計測に於ける誤差が増大する場合があり、この対応として局所領域に於ける微細なパターン同士の重ね合わせ計測を行うことによりレンズ収差による誤差要因の排除が必要となる。

一方、特許文献１には複数のレイヤに属するパターン間の寸法を測定する手法が説明されている。特許文献１に開示されているような測定法によれば、実際に形成されている実パターンが表現された画像を用いて行うことができるため、非常に高精度にパターン間寸法を測定することができる。

特開２００７−２４８０８７号公報（対応米国特許USP8,019,161）

特許文献１に説明されているような実際のパターンのエッジ間を測定する手法によれば、パターン間の寸法測定をナノレベルの精度で行うことができるが、一方で以下のような寸法誤差要因が存在することが発明者らの検討によって明らかになった。

昨今の半導体デバイスの高集積化により、パターン間の距離が非常に近接するようになり、その結果、光近接効果（Optical Proximity Effect：ＯＰＥ）によって、設計データ（レイアウトデータ）と比較するとパターンがシフトしてしまう現象が見られるようになってきた。レイヤ間の重ね合わせ誤差が存在する場合、レイヤ間のエッジ間寸法は、重ね合わせ誤差とＯＰＥによるパターンシフトが含まれることになり、単にパターン間の寸法を測定しただけでは、正確なオーバーレイ誤差を把握することが難しい。

このように高精度な測定が可能となり、且つ半導体デバイスの微細化が進むにつれて顕在化するオーバーレイ誤差測定の誤差を効果的に抑制することが、高精度なオーバーレイ誤差測定を可能とする。以下に、オーバーレイ誤差以外のパターンのずれを補正し、高精度なオーバーレイ誤差測定を行うことを目的とするオーバーレイ誤差測定装置、及びコンピュータープログラムを提案する。

上記目的を達成するための一態様として、以下に、荷電粒子線装置によって得られた画像に基づいて、試料上に形成されたパターンの測定を行う演算処理装置を備えたオーバーレイ誤差測定装置であって、前記演算処理装置は、前記荷電粒子線装置によって得られた信号を用いて、異なるレイヤに属する複数のパターン間の寸法を測定すると共に、当該寸法の測定の際に、光近接効果によるパターンのシフト分を補正して前記複数のパターン間の寸法測定を実行するオーバーレイ誤差測定装置、及び当該測定を実現するコンピュータープログラムを提案する。

また、前記光近接効果によるパターンのシフト分を補正するパターンとして、レイアウトデータ上、同形状のパターンが複数配列された対称性パターンを選択して補正するオーバーレイ誤差測定装置、及び当該測定を実現するコンピュータープログラムを提案する。

上記構成によれば、光近接効果によるパターンシフトの影響を抑制しつつ、正確なオーバーレイ誤差測定が可能となる。

２つのレイヤが重なることによって、半導体回路が構成されることを示す図。 半導体回路と、オーバーレイ誤差測定部位との位置関係を示す図。 対称性パターンを用いたオーバーレイ誤差測定の一例を示す図。 対称性パターンとパノラマ画像形成の際の複数の視野位置との位置関係を示す図。 ＯＰＥによる対称性パターンのシフトに追従して視野位置を補正する例を示す図。 対称性パターンをオーバーレイ誤差測定の評価対象として選択した上でオーバーレイ誤差測定を行う工程を示す図。 対称性パターンとオーバーレイ誤差測定位置との関係を示す図。 オーバーレイ誤差測定用の専用パターンの一例を示す図。 走査電子顕微鏡の一例を示す図。 半導体計測システムの一例を示す図。 ＯＰＥによるパターンシフト補正用のデータベースの一例を示す図。 ＯＰＥによるパターンシフトの概要を示す図。 オーバーレイ誤差測定の条件を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図。 設定されたオーバーレイ誤差測定条件に基づいて、測定対象となるパターンの例を示す図。 異なるレイヤのパターンの重心点間の寸法測定に基づいて、オーバーレイ誤差測定を行う例を示す図。 パノラマ画像形成のための視野位置設定工程を示すフローチャート。 ＥＰＥ測長結果に基づいて、レイアウトデータとシミュレーションデータの評価マップ（乖離度マップ）を作成する例を示す図。 パノラマ画像形成のために設定された複数の視野位置の位置関係を示す図。 パノラマ画像形成のための複数の視野間の重畳領域を評価する例を説明する図。 パノラマ画像形成条件設定装置の一例を示す図。 パノラマ画像形成条件設定工程を示すフローチャート。 パノラマ画像形成のための複数の視野間に新たな視野を設定する例を示す図。

以下に図面を用いて、オーバーレイ測定の概要について説明する。図１は、オーバーレイ測定の対象となるパターンの一例を示す図である。半導体ウェハは複数のレイヤが積層されて構成されており、積層されることによって、半導体回路を構成する。図１は下層（レイヤ１）に拡散層、上層（レイヤ２）にゲート層を持つトランジスタ構造を示す図である。以下に説明する実施例では、主にこの２つのレイヤの相対的な位置を測定することによって、オーバーレイ測定を行う例について説明する。

半導体の製造過程におけるオーバーレイ管理とその計測技術は半導体の量産工程において重要な役割を占めている。そして、近年の微細加工技術の進展によって、更なる高精度化が求められるようになってきた。特に、重ね合わせの要求精度が＜５nm程度になると、実際のデバイスパターンで発生する誤差因子（レンズの熱収差やＳＴＩのストレス）を無視できなくなる。

露光装置によるショット領域の周辺（例えば四隅）に重ね合わせのための専用パターンを配置し、この形状の重ね合わせ状況を、光学式検査装置を用いて管理する手法では、光学式検査装置の光の波長故の分解能の限界があり、十分な精度での重ね合わせ誤差を評価することが難しい。また、露光装置のレンズの熱収差の影響によりショット内の広い領域内でのパターンのバラつきが大きくなっており、ショットの隅のパターンでの重ね合わせ管理では精度の観点で限界となっている。さらに、トランジスタのＳＴＩレイヤでは周辺のコンタクトホールの影響によるゲート形状のストレスの影響によるゲート形状バラつきがある。

よって、実パターン（実際にパターン形状を画像化したデータ）を用いた重ね合わせ管理を行うことが望ましい。

そこで、本実施例では、光学式検査装置では取得することのできない高い倍率での画像取得が可能な走査電子顕微鏡やイオンビーム顕微鏡のような荷電粒子線装置によって得られる信号に基づいて、オーバーレイ測定を行う装置、当該測定をコンピューターに実行させるコンピュータープログラム、及び当該コンピュータープログラムを記憶する記憶媒体について説明する。

走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）によれば、５nm以下の精度の寸法測定が可能であり、本実施例ではパターン、或いは複数のパターン間の寸法を測定する測長用走査電子顕微鏡（Critical Dimension−ＳＥＭ：ＣＤ−ＳＥＭ）をオーバーレイ測定に用いる例について説明する。

一方、ＣＤ−ＳＥＭは、例えば１００nm以下の大きさの視野の画像を取得することが可能であるが、非常に高い倍率による測定、観察が可能であるが故に、オーバーレイ測定を行うに当たり、以下のような測定誤差要因がある。

半導体デバイスの各レイヤに対する露光工程では、光近接効果を積極的に活用したいわゆる超解像度技術（ＲＥＴ）を用いたパターン形成が行われる。ＲＥＴには、拡散層形成工程、ゲート層形成工程、配線工程等で用いられるＯＰＣ（光近接効果補正）処理やコンタクトホール形成工程等で代表されるＳＲＡＦ（超解像度補助パターン）処理がある。

このような処理が施されたパターンが表現されるＳＥＭ画像に基づくパターン評価を行う場合、パターン形状やパターンのトポロジーを要因とする光近接効果（Optical Proximity Effect：ＯＰＥ）の影響により、当該パターンの位置が本来の位置からずれて解像される場合がある。

すなわち、オーバーレイ誤差がある場合、パターンのずれと、ＯＰＥによるパターンのずれが混在することになり、オーバーレイ誤差の適性な評価が困難になる場合がある。本実施例では、特にＯＰＥによるパターンの位置ずれに基づく、オーバーレイ誤差測定の誤差を抑制し、正確なオーバーレイ誤差測定を行う装置について説明する。具体的には、ＯＰＥ等に基づく位置ずれ分を補正し、位置ずれのキャンセルを行った上で、レイヤ同士の重ね合わせ管理を行う例について説明する。

図９は、パターン測定用の画像を取得する走査電子顕微鏡の一例を示す図である。電子源９０１から引出電極９０２によって引き出され、図示しない加速電極によって加速された電子ビーム９０３は、集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ９０４によって、絞られた後に、走査偏向器９０５により、試料９０９上を一次元的、或いは二次元的に走査される。電子ビーム９０３は試料台９０８に内蔵された電極に印加された負電圧により減速されると共に、対物レンズ９０６のレンズ作用によって集束されて試料９０９上に照射される。

電子ビーム９０３が真空チャンバ９０７内に配置された試料９０９に照射されると、当該照射個所から二次電子、及び後方散乱電子のような電子９１０が放出される。放出された電子９１０は、試料に印加される負電圧に基づく加速作用によって、電子源方向に加速され、変換電極９１２に衝突し、二次電子９１１を生じさせる。変換電極９１２から放出された二次電子９１１は、検出器９１３によって捕捉され、捕捉された二次電子量によって、検出器９１３の出力が変化する。この出力に応じて図示しない表示装置の輝度が変化する。例えば二次元像を形成する場合には、走査偏向器９０５への偏向信号と、検出器９１３の出力との同期をとることで、走査領域の画像を形成する。また、図９に例示する走査電子顕微鏡には、電子ビームの走査領域を移動する偏向器（図示せず）が備えられている。この偏向器は異なる位置に存在する同一形状のパターンの画像等を形成するために用いられる。この偏向器はイメージシフト偏向器とも呼ばれ、試料ステージによる試料移動等を行うことなく、電子顕微鏡の視野（Field Of View：ＦＯＶ）位置の移動を可能とする。イメージシフト偏向器と走査偏向器を共通の偏向器とし、イメージシフト用の信号と走査用の信号を重畳して、偏向器に供給するようにしても良い。

なお、図９の例では試料から放出された電子を変換電極にて一端変換して検出する例について説明しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば加速された電子の軌道上に、電子倍像管や検出器の検出面を配置するような構成とすることも可能である。制御装置９１４は、走査電子顕微鏡の各構成を制御すると共に、検出された電子に基づいて画像を形成する機能や、ラインプロファイルと呼ばれる検出電子の強度分布に基づいて、試料上に形成されたパターンのパターン幅を測定する機能を備えている。

図１０は、半導体計測システムの一例を示す図である。このシステムには、ＳＥＭによって得られた信号（画像データや輪郭線データ）に基づいてオーバーレイ誤差測定を実行するオーバーレイ誤差測定装置１００１、設計データを記憶する設計データ記憶媒体１００２、設計データに基づいてシミュレーションを実行するシミュレーター１００３、測定に要する情報を入力する入力装置１００４が含まれている。設計データは例えばＧＤＳフォーマットやＯＡＳＩＳフォーマットなどで表現されており、所定の形式にて記憶されている。なお、設計データは、設計データを表示するソフトウェアがそのフォーマット形式を表示でき、図形データとして取り扱うことができれば、その種類は問わない。

パターン選択部１００５では、入力装置１００４から入力された情報に基づいて、オーバーレイ誤差測定に供するパターンを選択する。この選択データは例えば測定条件として記憶され、ＳＥＭ、及びオーバーレイ誤差測定装置１００１の動作プログラム（レシピ）として、所定の記憶媒体に記憶される。輪郭線抽出部１００６は、ＳＥＭによって取得された画像データに基づいて輪郭線を抽出する。輪郭線抽出は例えばＳＥＭ画像を二値化した後、エッジの細線化を行うことによって実行する。また、より高精度な輪郭線を形成する場合には、細線化されたエッジの垂線方向に輝度プロファイルを作成し、所定の輝度を持つ部分をエッジとするようにしても良い。また、ＳＥＭに輪郭線化機能が搭載されている場合には、輪郭線抽出部１００６は不要になる。

マッチング部１００７は、輪郭線データと、設計データに基づく図形データ、或いは設計データに基づくシミュレーションデータとの間でパターンマッチングを実行する。マッチングの詳細については後述する。パターン位置補正部１００９は、レイアウトデータ等と、輪郭線データとの重畳データの中のパターン選択部１００５にて選択されたパターンについて、選択的に位置を補正する。補正条件は、補正条件データベース１００８に記憶され、当該補正条件に基づいてパターンの選択的な移動を実行する。オーバーレイ測定部は、パターン位置補正部１００９によって補正された補正データに基づいて、オーバーレイ誤差測定を実行する。

上述したように、実パターンを用いた重ね合わせ計測の場合、一つの層に転写されているパターンが光近接効果の影響によりパターンの位置がシフトもしくは歪んでいる場合があり、このシフト分や歪み分を除外して、オーバーレイ評価を行う必要がある。即ちこのパターンシフトと層間のパターン位置ずれの切り分けを行い、真のオーバーレイエラーを検出する必要がある。

本実施例では主に以下の手順で、オーバーレイ誤差の測定を実行する。
ステップ１：オーバーレイ測定対象パターンの選択
ステップ２：測定レシピの自動生成
ステップ３：レシピを実行することによって画像を取得
ステップ４：ＯＰＥ補正の実行
ステップ５：オーバーレイ誤差計測
以下、各ステップについて、図面を用いて詳細に説明する。

（１）オーバーレイ測定対象パターンの選択
まず、このステップでは半導体の設計データ（レイアウトデータ）、或いはシミュレーションデータを用いて、オーバーレイ測定対象パターンの選択を行う。この場合、例えば特定のパターン（拡散層とゲート層のような２層構造からなるトランジスタ等）や、その座標及び画像取得領域（視野）の大きさを、レイアウトデータやシミュレーションデータ上で選択することによって、パターン、或いは評価領域を決定する。入力装置１００４は、設計データ記憶媒体１００２に記憶されたレイアウトデータやシミュレーションデータのような図形データから所望の測定対象を選択するためのものである。

（２）測定レシピの自動生成
次に、選択パターン、及び評価領域の画像の取得、及び取得画像に基づく測定を実行するためのレシピを自動生成する。設計データには、パターンの座標情報等が記憶されているため、当該座標にＳＥＭ等の視野が位置付けられるように、ＳＥＭのステージ移動条件、アドレッシングに要するパターンの自動選択、測長ボックスの設定を自動的、或いは半自動的に実行する。アドレッシングパターンは、例えばＳＥＭのビームシフト可能領域内に、測定対象パターンとアドレッシングパターンが位置付けられるように選択する。アドレッシングパターンは、誤検出を防止するため、形状がユニークなものを選択する。

図１３は、測定条件を設定するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）画面の一例を示す図である。この画面は例えば、入力装置１００４の表示画面に表示する。このＧＵＩ画面では、オーバーレイの評価対象となるレイヤ（Layer）、評価対象領域、或いはパターン座標（位置：Location）、ＳＥＭの走査領域の大きさ（ＦＯＶ size）の選択が可能となっている。このウィンドウへの入力に基づいて、ステージの移動条件やビームの偏向条件等が自動設定される。また、測定対象となるパターンの種類を選択するウィンドウ（Pattern Type）や光近接効果（Optical Proximity Effect：ＯＰＥ）の距離を選択するウィンドウ（Distance of ＯＰＥ）１３０１が設けられている。

ウィンドウ１３０１には、測定対象と近接するパターンとの間の距離に関する情報を入力する。光近接効果によるパターンのシフトは、主に測定対象パターンと隣接するパターンとの間の距離に依存し、距離が近い程、影響が大きくなる。よって、例えば当該ウィンドウに入力された距離以下のものを予め記憶されているデータベースに従って位置補正し、その上でオーバーレイ測定を行えば、正確なオーバーレイ誤差の測定が可能となる。設計データを参照すれば、隣接パターン間の距離を求めることができるため、評価対象領域中であって同じレイヤ中に、上記距離以下のパターン間距離を持つパターンがあれば、データベースに記憶された条件に従って、パターンのシフト分を補正するようにすると良い。また、距離情報の入力は必ずしも必要ではなく、評価対象領域の全パターンについて補正を行うようにしても良い。

図１１は、補正条件データベース１００８に記憶された補正データ（テーブル）の一例を示す図である。このテーブルには、測定対象となるパターンの種類（Pattern Type）と、近接するパターン（Adjacent pattern）の組み合わせ毎に、補正量（Shift amount）と補正方向（Direction）が記憶されている。光近接効果は近接するパターンの大きさや距離に応じて変化するため、それらの組み合わせ毎に補正量と補正方向を記憶しておくと良い。

図１２は、パターンＡ１２０２（上層パターン）、パターン１２０１（下層パターン）、及び隣接パターンｂ１２０５の位置関係を示す図である。この例では、パターンＡ１２０２とパターンｂ１２０５が同層パターンであり、パターン１２０１はこれらパターンの下層パターンである。また、線分１２０３、１２０４、１２０６は、それぞれパターン１２０１、パターンＡ１２０２、隣接パターンｂ１２０５のレイアウトデータである。図１１に示すテーブルには、パターンＡ１２０２と、隣接パターンｂ１２０５が近接した場合のＯＰＥによるパターンのシフト量とその方向が記憶されている。オーバーレイ測定の際には、このテーブルに記憶された補正データを用いて、パターンＡ１２０２をシフトさせた上で、オーバーレイの測定を行うことで、ＯＰＥによるシフト分を除外したオーバーレイ測定を行うことが可能となる。

また、光近接効果によってパターンがシフトするパターンは、オーバーレイ測定には適さないとの判断のもと、測定対象から除外するという考え方もある。図１４はその一例を示す図である。この例ではパターンの種類としてトランジスタが選択されている。トランジスタ１４０１、１４０２には近隣にＯＰＥが懸念されるパターンがなく、トランジスタ１４０３の近隣には、隣接パターン１４０４が位置している。この３つのトランジスタの中で、ＯＰＥによるパターンシフトが懸念されるパターンはトランジスタ１４０３であるため、例えばウィンドウ１３０１への入力値Ｘ₀と、レイアウトデータ上のトランジスタ１４０３の上層パターンと隣接パターン１４０４との距離Ｘ₀₁が、「Ｘ₀≧Ｘ₀₁」となるような場合に、トランジスタ１４０３をオーバーレイ誤差測定対象から除外した上で、レシピを生成するようにしても良い。

（３）レシピを実行することによって画像を取得
以上のようにして生成されたレシピを用いて、自動測定を行い、オーバーレイ誤差の測定対象であるパターンを含む画像を取得する。取得された画像は後述するようなオーバーレイ誤差測定に供される。

（４）ＯＰＥ補正の実行
次に、パターン位置補正部１００９では、ＯＰＥによるシフト分を補正するように、上層パターンの位置をシフトする。具体的には図１２に例示するように、データベースに記憶された補正量（ｘ₁，ｙ₁）と補正方向（θ₁）に基づいて、パターンＡ１２０２の位置を選択的にシフトさせる。このように補正することによって、オーバーレイ誤差とＯＰＥによるパターンシフトが混在し、オーバーレイの評価を行うことが困難なパターンであっても、適正な評価を行うことが可能となる。なお、実際にシフトさせることなく、演算のみでオーバーレイ誤差を求めることも可能である。なお、ＳＥＭ画像は輪郭線化されており、当該輪郭線データについて、下層に属する輪郭線は動かすことなく、上層に属する輪郭線を選択的に移動させるようにする。

（５）オーバーレイ誤差計測
オーバーレイ測定部１０１０では、ステップ４にてＯＰＥによるパターンシフト分が補正されたパターンデータを用いて、オーバーレイ誤差測定を実行する。この場合、図１５に例示するように、下層パターンのレイアウトデータのエッジ１５０１と下層パターンの輪郭線１５０２との間で位置合わせ（マッチング）を行い、位置合わせが行われた上層パターンのレイアウトデータのエッジ１５０３の重心位置１５０６と、上層パターンの輪郭線１５０４の重心位置１５０７との間の寸法測定を実行する。下層パターン間の位置合わせは、例えばレイアウトデータと輪郭線との対応点間の距離１５０５の加算平均値が最小となる位置を探索することによって実行する。図１０に例示したブロック図では、マッチング部１００７によってレイアウトデータと輪郭線の位置合わせ（マッチング）を行った後で、パターン位置補正部１００９によるパターンの位置補正を行っているが、この順番はどちらでも良い。

また、重心位置間を測定する理由は、パターンの変形等によらず、安定した測定が可能なことによるが、レイアウトデータと輪郭線のエッジ間の距離を測定することによって、オーバーレイ誤差を測定するようにしても良い。

また、実パターンによる計測を行う場合、下層が上層に覆われてＳＥＭ画像上に表現されない場合もあるため、その場合には、オーバーレイ計測のための専用ターゲットパターンをチップ内もしくはショット内に複数配置しこのパターンを用いてオーバーレイ計測を行う（In chip overlay）と良い。この場合、下層が見える専用のコンタクトホールを、専用のターゲットとすることが考えられる。より具体的にはオーバーレイ計測を行う場合、半導体製造工程に於けるプロセス起因（例えば、リソ工程、エッチング工程、ＣＭＰ工程等）により計測に用いる実パターンそのものの変動（変形等の出来栄え不良）が含まれていることがある。よって、安定したオーバーレイ計測を実現するためには、当該プロセス毎に最適なオーバーレイ計測の専用パターンをチップ内もしくはショット内に複数配置しこのパターンを用いてオーバーレイ計測を行うことが望ましい。

近年のパターンの微細加工の進歩により、露光に用いるスキャナーのレンズ収差の影響が従来と比較して相対的に顕著になりつつあり、且つスキャナーの連続使用によるレンズの蓄熱の影響もより顕著になりつつある。よって露光領域内の異なる部位ごとに異なるパターンシフトが発生することが考えられる。よって、チップ内に複数の専用パターンを設け、複数のずれを求めることは非常に有効である。

試料上のパターンの配置状況に応じて、ＯＰＥに基づくパターンシフトは、それぞれ異なる方向や距離で発生するため、本実施例では、各部位にてずれの補正を行い、正確なオーバーレイ誤差測定を行うと良い。また、オーバーレイ誤差を安定的に測定するために、各部位でのオーバーレイ誤差の統計値（例えば平均値）を求めるようにしても良い。

本実施例では、光近接効果による位置ずれの推定はＸとＹ軸にそれぞれ対称なパターンを検出し、対称パターン間の距離より、位置ずれ量を算出し、この量を用いてオーバーレイ計測の対象パターンの位置の補正を行う例について説明する。

図２は、６個のトランジスタが配置されたパターン構造を示す図である。ＳＲＡＭなどでは図２に例示するようなパターン構造が連続して配列される。ゲートを構成する上層（レイヤ２）は、図示するように２つのライン状のパターン２０１、２０２が隣接して配置されており、更にその外側のパターン２０３、２０４は、パターン２０１、２０２の中心について対称に配置されている。パターン２０１、２０２のような対称性パターンに含まれる一方のパターンの他方のパターンに対するＯＰＥと、他方のパターンの一方のパターンに対するＯＰＥはほぼ同じと考えられるため、ＯＰＥによるシフト量（絶対値）もほぼ同じであると考えられる。また、外側のパターン２０３、２０４も、パターン２０１と２０２との中心位置について、対称に配置されているため、やはりパターン２０１、２０２のシフト量はパターン２０１、２０２の中心を基準としたとき、反対の方向に同じ量、シフトすると考えられる。

このように、対称パターンのＯＰＥによるシフトは、おおよそ左右対称に発生すると考えられるため、２つのパターン２０１、２０２間の間隔が、設計データと同じになるように対称にシフトさせた位置が、ＯＰＥによるパターンシフトがない状態のパターン２０１、２０２の位置であると考えられる。

本実施例では、ＯＰＥによるパターンシフトの把握が容易な対称パターンをオーバーレイの測定対象とすると共に、当該パターンシフトを補正した上で高精度にオーバーレイ誤差測定を行う例について説明する。本実施例では、以下の手順でオーバーレイ誤差測定を実行する例について説明する。
ステップ１：オーバーレイ対象パターンの決定
ステップ２：対称性パターンの探索
ステップ３：撮像レシピの自動生成
ステップ４：検査及びＯＰＥ補正用の画像取得
ステップ５：ＯＰＥ補正計算処理
ステップ６：オーバーレイ計測
本実施例によれば以下の効果が期待できる。

まず、実デバイスパターンのオーバーレイを直接計測、管理を行う手法（装置）を実現可能であり、露光装置のレンズの熱収差やゲート部分のストレスによるショット内の寸法不均一を考慮した重ね合わせ評価を行うことができ、クリティカルなレイヤの処理工程での高い歩留まりを期待することができる。

更に、実デバイスの光近接効果によるパターンの位置ずれを補正することができる。この結果、複数工程で取得したパターンの輪郭線（Contour）同士を重ねたレイヤ間出来栄え評価を行うことができる。

また、本実施例によれば、ＯＰＣキャリブレーションと検証（パターン間の位置補正）の目的として、本来の正しいパターン位置を求めることができる。従って、この情報をＯＰＣモデリングに反映することで高精度ＯＰＣが可能となる。

図６は、設計データ上、対称性パターン（同じ形状のパターンが近接して２以上配列されているパターン）の位置を適正に補正した上で、オーバーレイ誤差測定を行う工程を示す図である。対称性パターンの条件選択は例えば入力装置１００４にて行う。

ステップ１：オーバーレイ計測パターン決定
半導体の設計データ（レイアウトデータ）に基づき、２つのレイヤの重ね合わせ部分の座標とパターン形状を算出する。また、その結果を用いて撮像のためのレシピ情報を自動生成する。

ステップ２：対称性パターン決定
半導体の設計データ（レイアウトデータ）に基づき、上記のオーバーレイ計測パターンに対応した対象性パターンの座標とパターン形状を算出する。また、その結果を用いて撮像のためのレシピ情報を自動生成する。対称パターンの選択は例えば同形状のパターンが所定の間隔より狭い範囲に配列されているか否かの判定に基づいて行うようにしても良いし、上層レイヤの製造の基となっているレイアウトの設計データを用いて対称パターンの抽出を行うようにしても良い。パターン選択部１００５では、入力装置１００４によって入力された対称パターンの条件に基づいて、その条件に見合ったパターンを選択する。

ステップ３：対称性パターンによるＯＰＥ補正
ＣＤ−ＳＥＭで取得したＳＥＭ画像から輪郭形状を生成し、パターン形状の光近接効果の影響による位置の補正を行う。図７は光近接効果の影響により、対称性パターンが同一量シフトする例を示している。図７に例示するように、対称性パターンは左右に同じ量シフトする。よってＯＰＥの影響を排除するために、設計データ（レイアウトデータ）あるいはシミュレーション形状データから、対称性パターンを構成する２のパターン間の距離（例えば重心点間の距離）Δｘｄを抽出すると共に、輪郭線データから対称性パターンを構成する２のパターン間の距離Δｘｃを求め、（Δｘｃ−Δｘｄ）／２を算出する。この算出結果を１のパターンのシフト量として、パターン位置補正部１００９は、輪郭線データ内の対称パターンの位置をシフトさせる。

ステップ４：オーバーレイ計測
上記で位置の補正を行った２つのレイヤの輪郭線形状データの重ね合わせを行い、オーバーレイ計測を行う。

オーバーレイ誤差測定は、上述したようにパターンの重心点間の距離を求めるようにしても良いし、エッジ間距離を測定するようにしても良い。オーバーレイ測定部１０１０では、視野の大きさに対するエッジ間、或いは重心点間の距離に基づいて、オーバーレイ誤差測定を実行する。但し、パターンの変形によらず、高精度なずれを求めるためには、重心間のずれを求めることが望ましい。オーバーレイ測定部１０１０は２のパターンの重心、或いはエッジ位置から、オーバーレイ誤差の測定を実行する。より具体的には重心位置間の測定を行う場合には、レイアウトデータ、或いはシミュレーションデータ内の測定対象パターンの重心と、ＳＥＭ画像に基づいて得られる輪郭線データ内の測定対象パターンの重心間の距離を求めることによって、オーバーレイ誤差を測定する。

図８はオーバーレイ計測のための専用パターンを用いた計測方法の例である。計測対象となる当該工程毎に相当するパターン（例えばコンタクトホールと配線パターンの組み合わせ）を予め製品デバイスのマスクの空き領域に作成しておき、この２つのレイヤ間でのパターンの距離や幅を計測するものである。実際の製造工程では配線とコンタクトホールの上下関係が絶縁膜等で覆われている場合があり、計測対象となる２つのパターン同士のエッジが適切に見えない場合がある。このため、専用パターンでは例えば穴の底に配線パターンが見える様な構造として、２つのレイヤのパターンのエッジを検出可能とする。

また、このパターンのサイズの目安は当該工程のデバイスレイヤのデザインルールに対して最も微細なルール値で現されるパターンサイズを使用する。これにより実際にデバイス製造時に影響が様々なプロセスの影響と同等な条件のもとでこのオーバーレイパターンも製造されるため、プロセス条件を加味したオーバーレイ計測が可能となる。

尚、この専用のパターンのグループは各チップ内の複数の空き領域やダミーパターンの配置領域に配置（例えば数十〜１００箇所）することでチップ内及びショット内毎のパターンずれのベクトルを検出することができ、この情報を露光装置管理の機能にフィードバックすることができる。

図１は下層パターンと上層の配線やゲートパターンとのオーバーレイを計測する専用のターゲットパターンである。また、図２は下層の配線と上層のコンタクトホールを開口し、オーバーレイを計測する専用のパターンである。

以上、本実施例によれば、光学式検査装置に比べ、微細な検査パターンを用いることができるので、合わせずれの許容誤差を減らすことができる。また、実デバイスパターンと同サイズの検査パターンの使用による合わせずれ管理をデバイスレベルで実現できる。また、光学式装置にて発生するレンズ収差の影響のないオーバーレイ誤差測定が可能となる。更に、Ｉｎ−Ｃｈｉｐで複数個所を計測できるためWafer面内での分布を管理可能となる。

図３は、対称性パターンを用いたオーバーレイ誤差測定を行う他の例を示す図である。対称性パターンに含まれる一方のパターンの他方のパターンに対するＯＰＥと、他方のパターンの一方のパターンに対するＯＰＥはほぼ同じと考えられるため、ＯＰＥによるシフト量（絶対値）はほぼ同じであると考えられる。即ち、オーバーレイ誤差とＯＰＥによるパターンシフトが混在した輪郭線データ３０１、３０２の重心３０３、３０４間の中心３０５は、ＯＰＥによるパターンシフトがないオーバーレイ誤差のみのパターン間の中心位置と同じ位置にあることになる。そこで本例では、中心３０５と、基準パターン３０６、３０７（レイアウトデータやシミュレーションデータの図形データ）の中心３０８との間の距離を、オーバーレイ誤差とする。すなわち、中心３０５の座標（ｘ₃₀₅，ｙ₃₀₅）と、中心３０８の座標（ｘ₃₀₈，ｙ₃₀₈）との差分（Δｘ，Δｙ）をオーバーレイ誤差量とし、Ａtan（Δｙ／Δｘ）をオーバーレイ誤差の方向とする。

このような演算によれば、ＯＰＥの大小によらず、ＯＰＥの影響を排除したオーバーレイ誤差の測定が可能となる。

また、オーバーレイ誤差測定を高精度に行うためには高い倍率（狭い視野サイズ）での画像取得が求められる。一方、高倍率での画像取得を行おうとすると、上層パターンと下層パターンが１つの視野に収まらないことがある。そこで、高倍率で取得した画像を繋ぎ合わせて、広範囲に亘って分解能の高い画像を形成するパノラマ技術を用いて、オーバーレイ測定を行う例について説明する。

パノラマ画像を形成する場合に、実施例２で説明したようなＯＰＥによるパターンのシフトがあると、本来想定した位置にパターンがないことになるため、画像の繋ぎ合わせに失敗する可能性がある。図４は下層レイヤのパターン４０１と、上層レイヤのパターン４０２、４０３が配置された回路パターンの一例を示す図である。レイアウトデータ４０４、４０５の位置に合わせて視野４０７、４０８が設定され、パターン４０１を含む視野４０６との間の重畳領域４０９、４１０が設定されている。視野間の重畳部分は、正確な繋ぎ合わせを行うために、少なくとも２方向のエッジが含まれている必要がある。これは、一方向にしかエッジがないと、二次元的な位置を特定できないことによる。

以下に、正確な繋ぎ合わせを可能とすべく、実施例１にて説明したようなデータベースを参照して、適切な位置に視野を設定する例を説明する。

図５は、パターンのシフト分を考慮して視野位置を設定した例を示す図である。視野５０１、５０２は図１１に例示したようなデータベースを参照して、パターンのシフト分、視野４０７、４０８をシフトした例を示す図である。図５では、初期の視野設定位置（視野４０７、４０８）に対して、Δｘ分、パターンをシフトさせた例を示している。

図１６は、パノラマ画像を作成する際に、視野の初期設定位置を、データベースを参照して補正する工程を示すフローチャートである。

まず、図４に例示するように、レイアウトデータ上でパノラマ画像を形成するための複数の視野を設定する（ステップ１６０１）。この場合、複数の視野間では重畳領域を設け、且つ当該重畳領域の中には少なくとも２方向の線分が含まれるようにする。次に、図１１に例示するようなデータベースを参照して（ステップ１６０２）、パノラマ画像形成領域内にＯＰＥによるパターンシフトが発生するものがないか判定を行い、パターンシフトが発生するパターンがある場合には、データベースに記憶されたシフト量やシフトの方向に基づいて、視野位置を移動させる。

次に、位置補正前に視野の一部が重畳していた視野（視野４０６）と、視野移動後の視野との重畳状態を確認（ステップ１６０４）し、位置合わせに要するエッジが含まれていないと判断できる場合（２方向のエッジが含まれていない場合、視野が所定の大きさより小さい場合（重畳領域が小さすぎて重ね合わせ精度が確保できない場合）等）、視野４０６を分割して視野５０３、５０４を設定すると共に、視野４０６に対してΔｘ分、視野５０１、５０２に追従するように、位置をシフトさせる（ステップ１６０５）。この場合、シフト量＜Δｘであったとしても、重畳領域内に位置合わせに要するエッジが含まれていると判断できる場合には、そのシフト量分、視野５０３、５０４を移動させるようにしても良い。

更に、視野移動による他の重畳領域の状態を確認し、重畳領域内に適切にエッジが含まれていると判断できる場合に、設定、或いは補正された視野位置を画像取得条件の１つとするＳＥＭの撮像レシピとして登録する（ステップ１６０６）。このような撮像レシピは、例えば制御装置９１４や入力装置１００４に内蔵されるメモリ等の記憶媒体に記憶させ、ＳＥＭ稼動時の動作プログラムとして読み出される。

以上のような構成によれば、ＯＰＥの存在によらず、適切な位置に視野を設定することが可能となる。また、オーバーレイ誤差測定を行う場合、広範囲に拡がる複数のパターンを用いて、高精度なオーバーレイ誤差測定を行うことが可能となる。

次に、シミュレーションデータ用いて、パノラマ画像の形成条件を設定する例について説明する。シミュレーションデータは、設計データ記憶媒体１００２に記憶されたレイアウトデータに対し、パターン形成条件等を加味してパターンの形状予測を行った結果得られるものであり、シミュレーター１００３によって行われる。

パノラマ画像の形成条件を設定する上で重要な点は上述したように取得画像（視野）に適切な重なり部分（重畳領域）を持たせることにある。設計データを基準としてこのＦＯＶ位置を最適に配置するには、ＯＰＥによるパターンの変形やシフトを考慮する必要がある。

本実施例では、シミュレーション形状と、設計データに基づくレイアウト形状との乖離の程度を求め、当該乖離の程度に基づいて、視野を適切な位置に設定する例を説明する。より具体的には、レイアウトデータとシミュレーションデータとの対応点（パターンの同一部位と見做せる点）間のＥＰＥ（Edge Placement Error）測長結果に基づいて、パターンの各部位の出来栄えを評価し、当該出来栄えに応じて、視野位置を設定する例について説明する。

図１７は、レイアウト形状１７０１とシミュレーション形状１７０２との間のＥＰＥ測長結果（ＥＰＥ値）に基づいて、パターンの各部位の評価値（本例では両形状間の乖離度）を算出し、評価値の算出に基づいて、評価マップ１７０３を作成する例を示す図である。評価マップはパターンをマトリクス状に分割し、その各部位について、評価値を記憶するためのものである。各部位の評価値は、当該部位に属するＥＰＥ測長結果、或いは当該部位に属するＥＰＥ測長結果の平均値とすることができる。

図２０は、ＳＥＭの撮像レシピ作成装置となる入力装置１００４、設計データ記憶媒体１００２、及びシミュレーター１００３を含む撮像レシピ作成システムの概要を示す図である。入力装置１００４は、演算装置２００１と、入力部２００２を備えている。演算装置２００１に含まれる視野位置設定部２００３は、入力部２００２から入力された条件等に基づいて、視野位置を設定する。例えば図１８に例示する３つのパターン１８０１〜１８０３のパノラマ画像を作成するための条件として、視野のサイズ（倍率）、重畳領域の大きさ、他のＳＥＭの光学条件等を、入力部２００２から入力する。また、図１８の例では、図の右側から順に視野１８０４、１８０５、１８０６、及び１８０７を設定する例を例示しているが、このような画像取得順序の入力も可能となっている。

ＥＰＥ測定部２００４では、図１７に例示したように、パターンの複数の部位毎に、レイアウト形状１７０１と、シミュレーション形状１７０２との間の寸法を測定する。乖離度分布作成部２００５では、得られたＥＰＥ測長結果に基づいて、所定の領域単位でのレイアウトデータとシミュレーションデータとの乖離の度合いを算出する。より具体的には各部位単位でのＥＰＥ値、平均値、或いは方向毎の重み付け平均値など、両者の乖離の度合いを示す指標値を求め、例えば評価マップ１７０３の部位１７０４、１７０５単位でメモリ２００９に登録する。

ベクトル演算部２００６は、例えば視野間の重畳領域１８０８に含まれるエッジのベクトル計算を行い、水平成分（ｘ成分）、垂直成分（ｙ成分）の分布を計算する。例えば重畳領域１８０８に含まれるエッジの中でｘ成分がどの程度含まれるか、及びｙ成分がどの程度含まれるかを演算する。重み付け係数演算部２００７では、乖離度分布作成部２００５にて求められた指標値に基づいて重み付け係数を設定する。

図１９は図１８に例示した視野１８０４、１８０５の重畳領域１８０８の評価を行う例を示す図である。例えば部位１９０１における指標値に基づいて、乖離度分布作成部２００５では、重み付け係数を設定する。具体的にはシミュレーションデータとレイアウトデータとの乖離が大きい個所は、実パターンの形状が安定せず、所定のエッジ形状が得られない個所であると考えられる。そこで、例えば各部位（例えば部位１９０１）にて、ベクトル演算を行い、ｘ方向成分とｙ方向成分の存在量に関する指標値を算出すると共に、レイアウトデータ１９０４とシミュレーションデータ１９０２との間の乖離の度合いに応じて、当該指標値の係数を設定する。乖離の程度が大きい程、重み付け係数は小さくなる。

視野位置設定部２００３は、重畳領域１８０８に含まれる複数の部位のｘ方向及びｙ方向の「指標値×重み付け係数」の累積値が所定の条件（ｘ方向、ｙ方向共に重ね合わせに足る線分が確保できたと判断できる状態）を満たしたときに、その視野位置を画像取得条件として、メモリ２００９に登録する。

パターンマッチング部２００８では、レイアウトデータとシミュレーションデータ、シミュレーションデータとＳＥＭ画像に基づくエッジデータ（例えばＳＥＭ画像から抽出された輪郭線データ）、或いはレイアウトデータとＳＥＭ画像に基づくエッジデータとの間でパターンマッチングを実行する。

図２１は、パノラマ画像形成のための視野位置を選択する工程を示すフローチャートである。

まず、設計データ記憶媒体１００２に記憶されたレイアウトデータと、シミュレーター１００３にて作成されたシミュレーションデータを読み出して、両者間でパターンマッチングを実行する（ステップ２１０１）。次に、レイアウトデータとシミュレーションデータの対応点間の寸法測定（ＥＰＥ測長）を実行する（ステップ２１０２）。このＥＰＥ測長結果に基づいて、パターンの部位毎の乖離状況をマップ化する（ステップ２１０３）。次に、シミュレーション形状に対してエッジのベクトル計算を行い、ｘ方向の線分、及びｙ方向の線分の分布を演算する（ステップ２１０４）。次に指定された視野サイズやパノラマ画像形成の対象となる領域情報に基づいて、第１の視野（図１８の視野１８０４）を設定する（ステップ２１０５）。図１８の例の場合、図の右側から順に視野を位置付けると共に、パターン１８０１の右側のエッジから所定の距離に視野１８０４の右端が位置するように設定するように初期条件が設定されている。また、その条件下でパターン１８０１と視野１８０４との重畳領域が最も大きくなるように設定されている。

次に第２の視野を設定する（ステップ２１０６）。第２の視野（視野１８０５）は、第１の視野と所定の大きさの重畳領域を設けつつ、パターン１８０２が極力視野に収まるように設定される。このとき、重畳領域１８０８について、上述のように所定の線分情報が含まれているか否か判断（ステップ２１０７）し、含まれていないと判断できる場合には、重畳領域１８０８の大きさを大きくする（ステップ２１０８）。

この場合、例えば重畳領域１８０８にｘ方向の線分が十分に含まれていないと判断できる場合には、視野１８０５を右側にシフトさせることで、重畳領域１８０８のｘ方向の線分（パターン１８０１の下端部）をより多く重畳領域１８０８に含ませるようにする。または、パターン１８０２の上端部を重畳領域１８０８内に含ませるように、視野１８０５を上側にシフトするようにしても良い。図１８の例の場合、ｘ方向の線分を重畳領域により多く含ませるように、重畳領域近傍のｘ方向線分をサーチし、複数の選択肢の中で、重畳領域の大きさが最も小さくなるような視野位置を選択する。重畳領域が大きい程、取得画像の数が増えるため、上記のような判断基準に基づいて、重畳領域に所定の線分を含みつつ、重畳領域が小さくなるように視野１８０５を選択する。

視野１８０５をシフトさせる場合は、シフトと重畳領域の評価を交互に行うことで、重畳領域の大きさを過度に大きくすることなく、適正な視野位置を選択することができる。また、視野設定位置の移動によって、視野１８０５からパターン１８０２の一部がはみ出てしまうような場合は、はみ出た分の画像を取得すべく、新たな視野を選択するようにする。

以上のような新たな視野位置の設定と、重畳領域の評価及び補正を繰り返すことによって、視野の増加を抑制しつつ、画像間の接続を高精度に実現し得る画像取得条件を見出すことができる。

以上のような工程を経て、所望の全てのパターンエッジを視野内に収めたと判断できた場合に、その画像取得条件をレシピとしてメモリ２００９等に登録する。

パノラマ画像を形成するために、複数の画像を合成する場合、重畳領域内のエッジの数が十分でないと、位置合わせ精度が低下する場合がある。これは転写パターンの出来栄えや撮像する際の装置のステージ精度に影響等の理由による。

このような状態を補完するために、本実施例では視野１８０４と視野１８０５との間に新たな視野２２０１を設定する例について説明する。視野２２０１を新たに設定することによって、重畳領域に十分なエッジ数を確保することが可能となる。

この場合、重ね合わせの位置精度を高めるために重ね合わせる処理の順序が重要であり、本例の場合、視野１８０４→視野２２０１→視野１８０５の順番で重ね合わせ処理を実行する。この順序は設計データあるいはシミュレーションデータの解析を行い各エッジ同士の接続の容易性と信頼性の評価を行い求めることができる。

また、重畳領域１８０８に含まれるエッジについて、先の実施例にて説明したような評価を行い、所定の条件を満たさないと判断できる場合に選択的に視野２２０１を増やすことによって、必要最小限の視野数で高精度な合成処理を行うことが可能となる。

９０１ 電子源
９０２ 引出電極
９０３ 電子ビーム
９０４ コンデンサレンズ
９０５ 走査偏向器
９０６ 対物レンズ
９０７ 真空チャンバ
９０８ 試料台
９０９ 試料
９１０ 電子
９１１ 二次電子
９１２ 変換電極
９１３ 検出器
９１４ 制御装置

Claims (10)

1. 荷電粒子線装置によって得られた画像に基づいて、試料上に形成されたパターンの測定を行う演算処理装置を備えたオーバーレイ誤差測定装置であって、
   前記演算処理装置は、前記荷電粒子線装置によって得られた信号を用いて、異なるレイヤに属する複数のパターン間の寸法を測定すると共に、当該寸法の測定の際に、光近接効果によるパターンのシフト分を補正して前記複数のパターン間の寸法測定を実行することを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
2. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記寸法測定対象パターンとして、対称性パターンを選択することを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
3. 請求項２において、
   前記演算処理装置は、前記対称性パターンを構成する２のパターン間の間隔を、当該対称性パターンのレイアウトデータ、或いはシミュレーションデータと同じとなるように補正を行った上で、前記複数のパターン間の寸法測定を実行することを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
4. 請求項２において、
   前記演算処理装置は、レイアウトデータ、或いはシミュレーションデータの前記対称性パターンを構成する２つのパターン間の中点と、前記荷電粒子線装置によって得られる信号に基づいて生成される輪郭線データの前記対称性パターンを構成する２つのパターン間の中点との寸法を測定することを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
5. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、複数の視野を合成したパノラマ画像に基づいて、前記複数のパターン間の寸法測定を実行することを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
6. 請求項５において、
   前記演算処理装置は、前記寸法測定対象パターンとして、対称性パターンを選択することを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
7. 請求項６において、
   前記演算処理装置は、前記対称性パターンのシフトに応じて前記視野を移動させることを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
8. 請求項７において、
   前記演算処理装置は、前記複数の視野間の重畳領域内に所定のエッジが含まれるように前記視野を移動することを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
9. 荷電粒子線装置によって得られた画像に基づいて、試料上に形成されたパターンの測定を、コンピューターに実行させるコンピュータープログラムであって、
   当該コンピュータープログラムは、前記コンピューターに、前記荷電粒子線装置によって得られた信号を用いて、異なるレイヤに属する複数のパターン間の寸法を測定させると共に、当該寸法の測定の際に、光近接効果によるパターンのシフト分を補正させて前記複数のパターン間の寸法測定を実行させることを特徴とするコンピュータープログラム。
10. 請求項９において、
    前記コンピュータープログラムは、前記コンピューターに前記寸法測定対象パターンとして、対称性パターンを選択させることを特徴とするコンピュータープログラム。