JP4096715B2 - 重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法 - Google Patents
重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4096715B2 JP4096715B2 JP2002340651A JP2002340651A JP4096715B2 JP 4096715 B2 JP4096715 B2 JP 4096715B2 JP 2002340651 A JP2002340651 A JP 2002340651A JP 2002340651 A JP2002340651 A JP 2002340651A JP 4096715 B2 JP4096715 B2 JP 4096715B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mark
- estimation
- overlay
- layer
- pseudo
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Description
【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（半導体ウエハや液晶基板）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。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている。この検査は、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）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査である。
【０００５】
重ね合わせ検査においては、通常、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,レジストマークは、上記のパターン形成工程で下地パターン,レジストパターンと同時に形成された凹凸構造である。なお、下地マークとレジストマークの間には、下地パターンとレジストパターンの間と同様、加工対象となる材料膜が形成されている。
【０００６】
この状態において、下地マークの位置とレジストマークの位置との差（重ね合わせずれ量）を検出し、得られた重ね合わせずれ量が許容範囲内に含まれるか否かを判断することにより、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る。
また、重ね合わせずれ量の検出に当たっては、基板上の下地マークとレジストマークとを含む観察領域が装置の視野内に位置決めされ、ＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて下地マーク,レジストマークの画像が取り込まれる。そして、このマーク画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて重ね合わせずれ量が検出される。エッジ部分とは、マーク画像の中で輝度値が急変する部分である。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１２４４５８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、下地マークとレジストマークの間には加工対象の材料膜が形成され、下地マークが材料膜で覆われているため、重ね合わせ検査時に取り込まれるマーク画像には、下地マーク自体の画像ではなく、下地マークに対応して材料膜の表面に浮き出た凹凸構造（本明細書では「疑似マーク」という）の画像が含まれることになる。
【０００９】
そして、擬似マークの画像からエッジ部分を検出しても、そのエッジ部分の位置は、下地マークのエッジ位置からずれている場合がある。このような場合、マーク画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて重ね合わせずれ量を検出しても、正確な検出結果を得ることができなかった。その結果、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を精度良く行うこともできなかった。
【００１０】
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。
【００１１】
【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は、第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成された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において、前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像手段と、前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出手段と、前記ショット領域内での前記マーク領域の位置ごとに異なる推定式を用い、該推定式にしたがって前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定手段と、前記検出手段による検出結果と前記推定手段による推定結果とに基づいて、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、前記推定式は、前記ショット領域を含む被検基板内での前記マーク領域の位置および前記疑似マークに関わる前記エッジ部分の輝度変化の非対称性を特徴づける量を変数とし、該変数と前記位置ずれ量との関係を表す式であり、前記推定手段は、前記位置ずれ量の推定に先立って前記変数の値を求め、該値を前記推定式に代入することで、前記位置ずれ量を推定することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の重ね合わせ検査方法は、第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成された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において、前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像工程と、前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出工程と、前記ショット領域内での前記マーク領域の位置ごとに異なる推定式を用い、該推定式にしたがって前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定工程と、前記検出手段による検出結果と前記推定手段による推定結果とに基づいて、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、前記推定式は、前記ショット領域を含む被検基板内での前記マーク領域の位置および前記疑似マークに関わる前記エッジ部分の輝度変化の非対称性を特徴づける量を変数とし、該変数と前記位置ずれ量との関係を表す式であり、前記推定工程は、前記位置ずれ量の推定に先立って前記変数の値を求め、該値を前記推定式に代入することで、前記位置ずれ量を推定することを特徴とする。
【００１６】
【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。
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、ウエハ１１を支持する検査ステージ１２と、ウエハ１１側に向けて照明光Ｌ１を射出する照明光学系（１３〜１５）とウエハ１１の像を形成する結像光学系（１６，１７）と、ＣＣＤ撮像素子１８と、画像処理装置１９と、制御コンピュータ２０とで構成されている。
【００１７】
この重ね合わせ検査装置１０について具体的に説明する前に、ウエハ１１（被検基板）の説明を行う。
ウエハ１１には、図２(ａ)に示すように、複数のショット領域２１がｘｙ方向に沿って２次元配列されている。また、各々のショット領域２１には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面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。
【００１８】
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層に形成されたパターン」に対応し、レジストパターンは「第２層に形成されたパターン」に対応する。
【００１９】
そして、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が重ね合わせ検査装置１０によって検査される。このため、ウエハ１１の各ショット領域２１内には、図２(ｂ)に示すように、重ね合わせ状態の検査に用いられる重ね合わせマーク３０が形成されている（図中、符号を３０Ａ〜３０Ｄとした）。本実施形態では、各ショット領域２１の四隅に重ね合わせマーク３０が形成されているものとする。
【００２０】
また、各々の重ね合わせマーク３０は、図３(ａ),(ｂ)に示すように、外側の下地マーク４１と内側のレジストマーク４４とで構成されている。図３(ａ)は、重ね合わせマーク３０の平面図であり、図３(ｂ)は、図３(ａ)のＸ方向に沿ったＣ−Ｃ断面を示す図である。
下地マーク４１,レジストマーク４４は、各々、下地パターン,レジストパターン(不図示)と同時に形成され、下地パターン,レジストパターンの基準位置を示している。下地マーク４１は請求項の「第１層に形成されたマーク」に対応し、レジストマーク４４は「第２層に形成されたマーク」に対応する。
【００２１】
さらに、レジストマーク４４およびレジストパターンと、下地マーク４１および下地パターンとの間には、図３(ｂ)に示すように、加工対象となる材料膜４２が形成されている。この材料膜４２は、重ね合わせ検査装置１０での検査後、レジストマーク４４が下地マーク４１に対して正確に重ね合わされ、レジストパターンが下地パターンに対して正確に重ね合わされている場合に、レジストマーク４４,レジストパターンを介して実際に加工される膜である。
【００２２】
このように、重ね合わせ検査の対象となるウエハ１１には、各ショット領域２１の四隅において、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３(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、凹部４７ｂそれぞれの形状は、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、左右非対称な形状（図４(ｂ)参照）になりやすい。
【００２３】
さて次に、重ね合わせ検査装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
重ね合わせ検査装置１０の検査ステージ１２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の法線方向をＺ方向、ウエハ１１の載置面をＸＹ面とする。
検査ステージ１２を移動させることにより、ウエハ１１のショット領域２１のうち、重ね合わせマーク３０(レジストマーク４４,下地マーク４１,疑似マーク４７)が形成された観察領域４５（図３(ａ),(ｂ)）を、結像光学系(１６,１７)の視野内に位置決めできる。観察領域４５は、請求項の「マーク領域」に対応する。
【００２４】
照明光学系(１３〜１５)は、光源１３と照明レンズ１４とプリズム１５とで構成され、プリズム１５が結像光学系(１６,１７)の光軸Ｏ２上に配置される。結像光学系(１６,１７)の光軸Ｏ２はＺ方向に平行である。プリズム１５の反射透過面１５ａは、光軸Ｏ２に対して略４５°傾けられている。照明光学系(１３〜１５)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１６,１７)の光軸Ｏ２に垂直である。
【００２５】
結像光学系(１６,１７)は、対物レンズ１６と結像レンズ１７とで構成された光学顕微鏡部であり、対物レンズ１６が検査ステージ１２とプリズム１５との間に配置される。結像レンズ１７は、第２対物レンズとして機能する光学素子であり、プリズム１５を挟んで対物レンズ１６とは反対側に配置される。
【００２６】
上記の照明光学系(１３〜１５)および結像光学系(１６,１７)において、光源１３から射出された光は、照明レンズ１４を介してプリズム１５に導かれ、その反射透過面１５ａで反射した後（照明光Ｌ１）、対物レンズ１６側に導かれる。そして、対物レンズ１６を通過した後（照明光Ｌ２）、検査ステージ１２上のウエハ１１に入射する。このとき、ウエハ１１のショット領域２１内の観察領域４５（図３）は、照明光Ｌ２により略垂直に照明される。
【００２７】
そして、照明光Ｌ２が照射されたウエハ１１の観察領域４５からは、そこでの凹凸構造（重ね合わせマーク３０）に応じて反射光Ｌ３が発生する。この反射光Ｌ３は、対物レンズ１６とプリズム１５とを介して結像レンズ１７に導かれ、対物レンズ１６と結像レンズ１７の作用によってＣＣＤ撮像素子１８の撮像面上に結像される。このとき、ＣＣＤ撮像素子１８の撮像面上には、反射光Ｌ３に基づく拡大像（反射像）が形成される。
【００２８】
ＣＣＤ撮像素子１８は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、撮像面上の反射像を撮像し、ウエハ１１の観察領域４５（図３）の画像に関わる信号を画像処理装置１９に出力する。観察領域４５の画像は、ＣＣＤ撮像素子１８の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。
なお、上記の結像光学系(１６,１７)およびＣＣＤ撮像素子１８は、請求項の「撮像手段」に対応する。画像処理装置１９は、請求項の「検出手段」,「推定手段」に対応する。制御コンピュータ２０は「推定手段」,「算出手段」に対応する。
【００２９】
画像処理装置１９は、ＣＣＤ撮像素子１８からの出力信号に基づいて、ウエハ１１の観察領域４５（重ね合わせマーク３０を含む）の反射像を画像として取り込む。
ここで、ウエハ１１の観察領域４５の画像には、下地マーク４１自体の凹凸構造によるエッジ部分ではなく、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のエッジ部分と、レジストマーク４４の凹凸構造（Ｘ方向については凸部４４ａ,４４ｂ）によるエッジ部分とが現れる。エッジ部分とは、画像のうち輝度値の急変部分である。
【００３０】
画像処理装置１９は、ウエハ１１の観察領域４５の画像に現れた複数のエッジ部分のうち、レジストマーク４４に関わるエッジ部分の位置（ここでは図３のＣ,Ｄ）に基づいて、レジストマーク４４の位置（ここでは図３における凸部４４ａ,４４ｂの中心位置Ｗr）を検出する。また、疑似マーク４７に関わるエッジ部分の位置（ここでは図３のＥ,Ｆ）に基づいて、疑似マーク４７の位置（ここでは図３における凹部４７ａ,４７ｂの中心位置Ｗg）を検出する。
【００３１】
なお、下地マーク４１の位置は、エッジ部分４１ａ,４１ｂの位置（図３のＳ1,Ｓ2）の中心位置Ｗsとなる。しかし、ウエハ１１の重ね合わせ検査は、下地マーク４１が材料膜４２で覆われた状態のときに行われるため、下地マーク４１の位置Ｓを直接検出することはできない。
図４は、擬似マーク４７が対称であることと非対称であることを説明するための図である。擬似マーク４７のエッジ部分４７ａと４７ｂの双方の形状が図４（ａ）に示すような対称性を有しておれば、結果として擬似マーク４７の位置Ｗgは、下地マークの位置Ｗsに一致する。
【００３２】
そして、疑似マーク４７の位置Ｗgが下地マーク４１の位置Ｗsからずれている場合は、レジストマーク４４の位置Ｗrと疑似マーク４７の位置Ｗgとの差に基づいて、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ずれ量Δを検出しようとしても、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２０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Δを正確に検出する（詳細は後述する）。
【００３３】
重ね合わせずれ量Δの検出のため、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に関する検出結果は、画像処理装置１９から制御コンピュータ２０に出力される。
また、画像処理装置１９は、制御コンピュータ２０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のエッジ部分の形状がどの程度非対称であるかを示す特徴量（以下「非対称性特徴量」という）を検出し、制御コンピュータ２０に出力する。
【００３４】
さらに、上記の非対称性特徴量に加えて、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)、および、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)も、制御コンピュータ２０に出力する。本実施形態において、ショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)とは、図２（ｂ）の４つの重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄのうち何れか１つを特定するための情報である。
【００３５】
なお、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量を検出するに当たって、画像処理装置１９は、ウエハ１１の観察領域４５の画像に現れたエッジ部分のうち、疑似マーク４７に関わるエッジ部分の所定方向に沿った輝度変化を参照する。そして、この輝度変化の非対称性を特徴づける量を非対称性特徴量として検出する。
【００３６】
ちなみに、Ｘ方向に沿った輝度変化には、図５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とが現れている。このうち波形部分５７ａ,５７ｂの輝度変化に基づいて、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量が検出される。
【００３７】
疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量としては、例えば、(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５７ｂ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)との６つが考えられる。
【００３８】
Ｙ方向に沿った輝度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つの波形部分の輝度変化に基づいて、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点間の輝度差と所定方向（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。
【００３９】
本実施形態の画像処理装置１９では、上記した６つの傾きＳ(ab),Ｓ(bc),Ｓ(cd),Ｓ(ef),Ｓ(fg),Ｓ(gh)のうち、対をなす任意の２つ（例えばＳ(bc),Ｓ(fg)）を検出し、非対称性特徴量として制御コンピュータ２０に出力する。Ｓ(bc),Ｓ(fg)に代えて、Ｓ(ab),Ｓ(gh)を用いても、Ｓ(cd),Ｓ(ef)を用いてもよい。
さらに、本実施形態の画像処理装置１９では、上記の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）に加え、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)、および、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)も、制御コンピュータ２０に出力する。
【００４０】
そして、制御コンピュータ２０では、疑似マーク４７のエッジ部分の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）と、観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)および位置(Ｘｓ,Ｙｓ)とに基づいて、次の方法により、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。
位置ずれ量(δ)の推定のため、制御コンピュータ２０内のメモリには、４つの推定式が予め記憶されている。４つの推定式は何れも、次の式(１)のように、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)、および、疑似マーク４７のエッジ部分の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）を変数とし、これらの変数と位置ずれ量(δ)との関係を表したものである。式(１)のｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４は、予め決定された係数である。
【００４１】
δ＝ｋ０＋ｋ１・Ｘｗ＋ｋ２・Ｙｗ＋ｋ３・Ｓ(bc)＋ｋ４・Ｓ(fg) …(１)また、４つの推定式の各々は、通常、係数ｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４の値が互いに異なっている。そして、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)、つまり、４つの重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２(ｂ)）の各々に対応づけられて、制御コンピュータ２０内のメモリに記憶されている。
【００４２】
したがって、制御コンピュータ２０では、まず、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に基づいて、メモリ内の４つの推定式のうち１つを選択する。そして次に、選択した推定式の変数に、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)と非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）を代入することで、位置ずれ量(δ)を推定する。
【００４３】
すなわち、制御コンピュータ２０では、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)、つまり、４つの重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２(ｂ)）ごとに異なる推定式を用いて、位置ずれ量(δ)の推定を行う。
ここで、異なるショット領域２１に各々形成された重ね合わせマーク３０どうしは、ショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)が同じであれば、下地マーク４１を覆っている材料膜４２の形成状態に共通する傾向があると考えられる。このため、材料膜４２の表面４２ａに浮き出た疑似マーク４７のエッジ部分の形状（非対称性）にも、疑似マーク４７の位置ずれ量(δ)にも、共通する傾向があると考えられる。
【００４４】
逆に、異なるショット領域２１に各々形成された重ね合わせマーク３０どうしは、ショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)が異なれば、下地マーク４１を覆っている材料膜４２の形成状態にも、材料膜４２の表面４２ａに浮き出た疑似マーク４７のエッジ部分の形状（非対称性）にも、疑似マーク４７の位置ずれ量(δ)にも、共通する傾向がないと考えられる。
【００４５】
したがって、本実施形態では、疑似マーク４７の位置ずれ量(δ)がショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に依存すると考え、上記のように、その位置(Ｘｓ,Ｙｓ)ごとに異なる推定式を用いて位置ずれ量(δ)を推定する。その結果、位置ずれ量(δ)の推定精度を確実に向上させることができる。
さて次に、ショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)ごとに異なる４つの推定式（式(１)参照）について、その作成手順を説明する。推定式の作成に当たっては、テストウエハが重ね合わせ検査装置１０の検査ステージ１２に載置される。テストウエハには、ウエハ１１の重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２(ｂ)）と同様の重ね合わせマークがｎ個のショット領域２１の四隅に各々形成されているとする。
【００４６】
また、テストウエハの各重ね合わせマークも、図３(ｂ)に示すように、下地マークが材料膜で覆われた状態にある。この状態で、各々の重ね合わせマークを含む観察領域は、順次、重ね合わせ検査装置１０の視野内に位置決めされ、画像として画像処理装置１９に取り込まれる。
そして、画像処理装置１９は、上記のウエハ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レジストマークの位置Ｔriと、疑似マークの位置Ｔgiと、疑似マークのエッジ形状の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc)i,Ｓ(fg)i）とを検出する（ｉ＝１,２,…,ｎ）。これらの検出結果は、テストウエハ内での観察領域の位置(Ｘｗi,Ｙｗi)とショット領域内での位置(Ｘｓi,Ｙｓi)とに対応づけられ、制御コンピュータ２０内のメモリに記憶される。
【００４７】
次いで、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を直接検出するために、テストウエハの材料膜が実際にエッチングされる（図６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関わるエッジ部分が現れる。したがって、画像処理装置１９では、各々の重ね合わせマークにおける下地マークの位置Ｔsiを直接検出することができる（ｉ＝１,２,…,ｎ）。また、レジストマークの位置Ｔriも同様に検出する。これらの検出結果も、観察領域のテストウエハ内での位置(Ｘｗi,Ｙｗi)とショット領域内での位置(Ｘｓi,Ｙｓi)とに対応づけられ、制御コンピュータ２０内のメモリに記憶される。
【００４８】
そして、制御コンピュータ２０では、テストウエハを用いて検出した疑似マークの位置Ｔgiと下地マークの位置Ｔsiとの差に基づいて、テストウエハ内での位置(Ｘｗi,Ｙｗi)ごとに、位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）を算出する。
この位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）は、ウエハ１１の表面内での２次元ベクトル量であり、例えば図７(ａ)に示すような分布となる。図７（ａ）において、各ベクトルの始点は、観察領域の位置に対応している。図７（ａ）は、１５個のショット領域について、各ショット領域の四隅に形成された重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄそれぞれの位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）を示している。図７(ａ)の横軸は各ベクトルのＸ方向の長さ(ｎｍ)を表し、縦軸はＹ方向の長さ(ｎｍ)を表している。
【００４９】
また、上記の位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）は、エッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢiとエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡiとの差に相当している。エッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢiとは、図３(ｂ)の状態で検出したレジストマークの位置Ｔriと疑似マークの位置Ｔgiとの差である。エッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡiとは、図６の状態で検出したレジストマークの位置Ｔriと下地マークの位置Ｔsiとの差である。
【００５０】
図７(ａ)に示す位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）のベクトル分布を、エッチング前後の重ね合わせずれ量ΔＢi,ΔＡiを用いて表すと、例えば図７(ｂ),(ｃ)のようになる。図７(ｂ),(ｃ)の横軸はエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡiの大きさ(ｘ,ｙ)を表し、縦軸はエッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢiの大きさ(ｘ,ｙ)を表している。
【００５１】
図７(ｂ),(ｃ)の各々において、中央の４５°ラインは、エッチング前後の重ね合わせずれ量ΔＢi,ΔＡiの大きさ(ｘ,ｙ)が一致する理想的な場合を表している。既に説明したように、疑似マークのエッジ部分の形状が非対称な場合（図４(ｂ)）には、エッチング前後の重ね合わせずれ量ΔＢi,ΔＡiが一致せず、図７(ｂ),(ｃ)に示すように測定点が理想的な４５°ラインから大きく外れることになる。
【００５２】
そして、図７(ｂ)における４５°ラインからの外れ量は、図７(ａ)の位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）のＸ方向の長さに対応する。同様に、図７(ｃ)における４５°ラインからの外れ量は、図７(ａ)の位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）のＹ方向の長さに対応する。
これらの外れ量を補正して、各々の測定点を４５°ライン上に乗せるために、制御コンピュータ２０は、位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）が、疑似マークのエッジ部分の形状の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc)i,Ｓ(fg)i）と、テストウエハ内での位置(Ｘｗi,Ｙｗi)との線形結合で表されると仮定して、次の関係式(２)を作成する（ｉ＝１,２,…,ｎ）。ｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４は、未知の係数である。
【００５３】
Ｔgi−Ｔsi ＝ ｋ０＋ｋ１・Ｘｗi＋ｋ２・Ｙｗi
＋ｋ３・Ｓ(bc)i＋ｋ４・Ｓ(fg)i …(２)さらに、前述した通り、異なるショット領域に各々形成された重ね合わせマークどうしは、ショット領域内での位置(Ｘｓi,Ｙｓi)が同じであれば、疑似マークのエッジ部分の形状（非対称性）および位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）に、共通の傾向（規則性）があると考えられる。
【００５４】
したがって、制御コンピュータ２０は、上記の関係式(２)のうち、ショット領域内での位置(Ｘｓi,Ｙｓi)が同じものどうしを選択し、選択した関係式(２)に含まれる実測値「Ｔgi,Ｔsi,Ｘｗi,Ｙｗi,Ｓ(bc)i,Ｓ(fg)i」の組み合わせから（ｉ∈[１,２,…ｎ]）、重回帰分析によって、未知の係数ｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４を計算する。
【００５５】
本実施形態では、ショット領域内の重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２(ｂ)）ごとに、上記の関係式(２)から重回帰分析によって係数ｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４の値を計算し、上記した位置ずれ量(δ)の推定式（式(１)）を決定する。このため、制御コンピュータ２０内のメモリには、４つの推定式がショット領域内の重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄに対応づけられて記憶される。
【００５６】
このように、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０では、位置ずれ量(δ)の推定式（式(１)）がウエハ１１に対する重ね合わせ検査に先立って決定され、メモリ内に記憶されているため、制御コンピュータ２０では、まず、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に基づいて、メモリ内の４つの推定式のうち１つを選択する。
【００５７】
そして次に、選択した推定式の変数に、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)と非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）を代入する。その結果、疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量(δ)を精度良く推定することができる。
さらに、制御コンピュータ２０では、画像処理装置１９によって既に検出されていたレジストマーク４４の位置Ｗrと疑似マーク４７の位置Ｗgとの差を計算する。この差（Ｗr−Ｗg）は、材料膜４２に対するエッチング前（図３(ｂ)）の状態）での重ね合わせずれ量ΔＢに相当する。
【００５８】
そして、このエッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢを上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づいて補正することにより、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ΔＢ（＝Ｗr−Ｗg＋δ）を検出する。その結果、重ね合わせずれ量ΔＢの正確な検出結果を得ることができる。
ここで、高精度な推定結果（位置ずれ量δ）による補正後の重ね合わせずれ量ΔＢ、つまり、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０による検出結果について、その正確性を検討しておく。この検討のため、上記したテストウエハの場合と同様に、ウエハ１１の材料膜４２を実際にエッチングする（図６の状態）。そして、エッチング後のウエハ１１における各重ね合わせマーク３０の画像を取り込む。
【００５９】
取り込まれた画像には、下地マーク４１自体の凹凸構造に関わるエッジ部分が現れている。したがって、画像処理装置１９は、各々の重ね合わせマーク３０における下地マーク４１の位置Ｔsを直接検出すると共に、レジストマークの位置Ｔrを検出し、検出結果を制御コンピュータ２０に出力する。さらに、制御コンピュータ２０は、レジストマークの位置Ｔrと下地マーク４１の位置Ｔsとの差に基づいて、エッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡを計算する。
【００６０】
このようにして得られたエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡに対して、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０による検出結果（エッチング前でかつ補正後の重ね合わせずれ量ΔＢ）が一致しているか否かは、図８(ａ)〜(ｃ)に示される通りである。図８(ａ)における観察領域の各位置は、図７（ａ）と同じである。また、図８(ａ)〜(ｃ)の縦軸,横軸は、図７(ａ)〜(ｃ)と同じである。
【００６１】
図８(ｂ),(ｃ)と図７(ｂ),(ｃ)を比較すると分かるように、図８(ｂ),(ｃ)の方が、各々の測定点の理想的な４５°ラインからの外れ量が小さい。これは、エッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢを上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づいて補正することにより、エッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡに近い値の正確な検出結果が得られたことを意味する。
【００６２】
このことは、図８(ａ)と図７(ａ)を比較しても分かる。図８(ａ)は、エッチング前でかつ補正後の重ね合わせずれ量ΔＢとエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡとの差を、ウエハ１１の表面内でのベクトル分布として表したものである。各々のベクトルは、図８(ａ)の方が短い。これは、上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づく補正によって正確な検出結果が得られることを表している。
【００６３】
なお、図８(ｂ),(ｃ)において、各測定点の４５°ラインからの外れ量は、最大値が５１.８８(ｎｍ),４５.４３(ｎｍ)であり、標準偏差が２４.２１(ｎｍ),１４.０３(ｎｍ)であった。これに対して、図７(ｂ),(ｃ)では、最大値が１４９.１４(ｎｍ),１０５.０２(ｎｍ)であり、標準偏差が６０.６７(ｎｍ),４８.７８(ｎｍ)である。これらの数値からも、上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づく補正によって正確な検出結果が得られることが分かる。
【００６４】
このように、本実施形態では、下地マーク４１とレジストマーク４４との重ね合わせずれ量ΔＢを正確に検出できるため、下地マーク４１が材料膜４２で覆われた状態のときに疑似マーク４７のエッジ部分の形状が非対称でも、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することができる。
また、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。さらに、半導体素子や液晶表示素子の高集積化にも対応できる。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。
【００６５】
上記した実施形態では、式(１)のように、位置ずれ量の推定式の変数として、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)と、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）とを用いたが、本発明はこの例に限定されない。非対称性特徴量は、傾きＳ(bc),Ｓ(fg)に代えて、傾きＳ(ab),Ｓ(gh)を用いても、傾きＳ(cd),Ｓ(ef)を用いてもよい。これらの傾きＳ(ab),Ｓ(bc),Ｓ(cd),Ｓ(ef),Ｓ(fg),Ｓ(gh)を任意に組み合わせても良い。
【００６６】
また、位置ずれ量の推定式の変数として、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)のみを用いても、非対称性特徴量のみを用いてもよい。その他に、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)を、位置ずれ量の推定式の変数として用いることもできる。
また、上記した実施形態では、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)ごとに異なる推定式を用いて位置ずれ量(δ)の推定を行ったが、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に拘わらず同じ推定式を用いて位置ずれ量(δ)を推定してもよい。この場合、推定式の変数としては、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)を用いることが好ましく、この位置(Ｘｗ,Ｙｗ)と非対称性特徴量とを組み合わせても良い。
【００６７】
図９（ａ）は、図７（ａ）の場合とは、別のテストウエハを用いて、図７（ａ）の場合と同様の観察領域の位置における位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）の分布を示したものである。図９(ａ)〜(ｃ)の縦軸,横軸は、図７(ａ)〜(ｃ)と同じである。
図１０（ａ）は、上述のように、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に拘わらず同じ推定式を用いて位置ずれ量(δ)を推定した例である。すなわち、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)、および、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量（４つの傾き）を変数とし、これらの変数と位置ずれ量(δ)との関係を表した１つの推定式を用いた場合である。図１０(ａ)における観察領域の各位置は、図９（ａ）と同じである。また、図１０(ａ)〜(ｃ)の縦軸,横軸は、図９(ａ)〜(ｃ)と同じである。
【００６８】
この場合でも、図９,図１０に示す通り、ウエハ１１の全面において疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量(δ)を精度良く推定することができ、重ね合わせずれ量ΔＢの正確な検出結果を得ることができる。これは、図９（ａ）のように、位置ずれ量がウエハの中心から外周方向へ放射状に分布している場合には、その位置ずれ量は、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)よりも、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)に大きく影響されるからである。
【００６９】
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ検査装置１０内の画像処理装置１９,制御コンピュータによって、疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量(δ)の推定や重ね合わせずれ量ΔＢの検出などを行ったが、重ね合わせ検査装置１０に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下地マークが材料膜で覆われた状態において、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。
【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のショット領域２１を説明する図である。
【図３】ショット領域２１内の重ね合わせマーク３０を説明する図である。
【図４】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。
【図５】重ね合わせマーク３０の画像の輝度変化を説明する図である。
【図６】材料膜４２に対するエッチング後の状態を説明する図である。
【図７】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正前）を説明する図である。
【図８】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正後）を説明する図である。
【図９】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正前）を説明する図である。
【図１０】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正後）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 光源
１４ 照明レンズ
１５ プリズム
１６ 対物レンズ
１７ 結像レンズ
１８ ＣＣＤ撮像素子
１９ 画像処理装置
２０ 制御コンピュータ
２１ ショット領域
３０ 重ね合わせマーク
４１ 下地マーク
４２ 材料膜
４４ レジストマーク
４５ 観察領域
４７ 疑似マーク
【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（半導体ウエハや液晶基板）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。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている。この検査は、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）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査である。
【０００５】
重ね合わせ検査においては、通常、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,レジストマークは、上記のパターン形成工程で下地パターン,レジストパターンと同時に形成された凹凸構造である。なお、下地マークとレジストマークの間には、下地パターンとレジストパターンの間と同様、加工対象となる材料膜が形成されている。
【０００６】
この状態において、下地マークの位置とレジストマークの位置との差（重ね合わせずれ量）を検出し、得られた重ね合わせずれ量が許容範囲内に含まれるか否かを判断することにより、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る。
また、重ね合わせずれ量の検出に当たっては、基板上の下地マークとレジストマークとを含む観察領域が装置の視野内に位置決めされ、ＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて下地マーク,レジストマークの画像が取り込まれる。そして、このマーク画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて重ね合わせずれ量が検出される。エッジ部分とは、マーク画像の中で輝度値が急変する部分である。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１２４４５８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、下地マークとレジストマークの間には加工対象の材料膜が形成され、下地マークが材料膜で覆われているため、重ね合わせ検査時に取り込まれるマーク画像には、下地マーク自体の画像ではなく、下地マークに対応して材料膜の表面に浮き出た凹凸構造（本明細書では「疑似マーク」という）の画像が含まれることになる。
【０００９】
そして、擬似マークの画像からエッジ部分を検出しても、そのエッジ部分の位置は、下地マークのエッジ位置からずれている場合がある。このような場合、マーク画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて重ね合わせずれ量を検出しても、正確な検出結果を得ることができなかった。その結果、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を精度良く行うこともできなかった。
【００１０】
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。
【００１１】
【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は、第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成された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において、前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像手段と、前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出手段と、前記ショット領域内での前記マーク領域の位置ごとに異なる推定式を用い、該推定式にしたがって前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定手段と、前記検出手段による検出結果と前記推定手段による推定結果とに基づいて、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、前記推定式は、前記ショット領域を含む被検基板内での前記マーク領域の位置および前記疑似マークに関わる前記エッジ部分の輝度変化の非対称性を特徴づける量を変数とし、該変数と前記位置ずれ量との関係を表す式であり、前記推定手段は、前記位置ずれ量の推定に先立って前記変数の値を求め、該値を前記推定式に代入することで、前記位置ずれ量を推定することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の重ね合わせ検査方法は、第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成された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において、前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像工程と、前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出工程と、前記ショット領域内での前記マーク領域の位置ごとに異なる推定式を用い、該推定式にしたがって前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定工程と、前記検出手段による検出結果と前記推定手段による推定結果とに基づいて、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、前記推定式は、前記ショット領域を含む被検基板内での前記マーク領域の位置および前記疑似マークに関わる前記エッジ部分の輝度変化の非対称性を特徴づける量を変数とし、該変数と前記位置ずれ量との関係を表す式であり、前記推定工程は、前記位置ずれ量の推定に先立って前記変数の値を求め、該値を前記推定式に代入することで、前記位置ずれ量を推定することを特徴とする。
【００１６】
【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。
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、ウエハ１１を支持する検査ステージ１２と、ウエハ１１側に向けて照明光Ｌ１を射出する照明光学系（１３〜１５）とウエハ１１の像を形成する結像光学系（１６，１７）と、ＣＣＤ撮像素子１８と、画像処理装置１９と、制御コンピュータ２０とで構成されている。
【００１７】
この重ね合わせ検査装置１０について具体的に説明する前に、ウエハ１１（被検基板）の説明を行う。
ウエハ１１には、図２(ａ)に示すように、複数のショット領域２１がｘｙ方向に沿って２次元配列されている。また、各々のショット領域２１には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面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。
【００１８】
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層に形成されたパターン」に対応し、レジストパターンは「第２層に形成されたパターン」に対応する。
【００１９】
そして、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が重ね合わせ検査装置１０によって検査される。このため、ウエハ１１の各ショット領域２１内には、図２(ｂ)に示すように、重ね合わせ状態の検査に用いられる重ね合わせマーク３０が形成されている（図中、符号を３０Ａ〜３０Ｄとした）。本実施形態では、各ショット領域２１の四隅に重ね合わせマーク３０が形成されているものとする。
【００２０】
また、各々の重ね合わせマーク３０は、図３(ａ),(ｂ)に示すように、外側の下地マーク４１と内側のレジストマーク４４とで構成されている。図３(ａ)は、重ね合わせマーク３０の平面図であり、図３(ｂ)は、図３(ａ)のＸ方向に沿ったＣ−Ｃ断面を示す図である。
下地マーク４１,レジストマーク４４は、各々、下地パターン,レジストパターン(不図示)と同時に形成され、下地パターン,レジストパターンの基準位置を示している。下地マーク４１は請求項の「第１層に形成されたマーク」に対応し、レジストマーク４４は「第２層に形成されたマーク」に対応する。
【００２１】
さらに、レジストマーク４４およびレジストパターンと、下地マーク４１および下地パターンとの間には、図３(ｂ)に示すように、加工対象となる材料膜４２が形成されている。この材料膜４２は、重ね合わせ検査装置１０での検査後、レジストマーク４４が下地マーク４１に対して正確に重ね合わされ、レジストパターンが下地パターンに対して正確に重ね合わされている場合に、レジストマーク４４,レジストパターンを介して実際に加工される膜である。
【００２２】
このように、重ね合わせ検査の対象となるウエハ１１には、各ショット領域２１の四隅において、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３(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、凹部４７ｂそれぞれの形状は、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、左右非対称な形状（図４(ｂ)参照）になりやすい。
【００２３】
さて次に、重ね合わせ検査装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
重ね合わせ検査装置１０の検査ステージ１２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の法線方向をＺ方向、ウエハ１１の載置面をＸＹ面とする。
検査ステージ１２を移動させることにより、ウエハ１１のショット領域２１のうち、重ね合わせマーク３０(レジストマーク４４,下地マーク４１,疑似マーク４７)が形成された観察領域４５（図３(ａ),(ｂ)）を、結像光学系(１６,１７)の視野内に位置決めできる。観察領域４５は、請求項の「マーク領域」に対応する。
【００２４】
照明光学系(１３〜１５)は、光源１３と照明レンズ１４とプリズム１５とで構成され、プリズム１５が結像光学系(１６,１７)の光軸Ｏ２上に配置される。結像光学系(１６,１７)の光軸Ｏ２はＺ方向に平行である。プリズム１５の反射透過面１５ａは、光軸Ｏ２に対して略４５°傾けられている。照明光学系(１３〜１５)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１６,１７)の光軸Ｏ２に垂直である。
【００２５】
結像光学系(１６,１７)は、対物レンズ１６と結像レンズ１７とで構成された光学顕微鏡部であり、対物レンズ１６が検査ステージ１２とプリズム１５との間に配置される。結像レンズ１７は、第２対物レンズとして機能する光学素子であり、プリズム１５を挟んで対物レンズ１６とは反対側に配置される。
【００２６】
上記の照明光学系(１３〜１５)および結像光学系(１６,１７)において、光源１３から射出された光は、照明レンズ１４を介してプリズム１５に導かれ、その反射透過面１５ａで反射した後（照明光Ｌ１）、対物レンズ１６側に導かれる。そして、対物レンズ１６を通過した後（照明光Ｌ２）、検査ステージ１２上のウエハ１１に入射する。このとき、ウエハ１１のショット領域２１内の観察領域４５（図３）は、照明光Ｌ２により略垂直に照明される。
【００２７】
そして、照明光Ｌ２が照射されたウエハ１１の観察領域４５からは、そこでの凹凸構造（重ね合わせマーク３０）に応じて反射光Ｌ３が発生する。この反射光Ｌ３は、対物レンズ１６とプリズム１５とを介して結像レンズ１７に導かれ、対物レンズ１６と結像レンズ１７の作用によってＣＣＤ撮像素子１８の撮像面上に結像される。このとき、ＣＣＤ撮像素子１８の撮像面上には、反射光Ｌ３に基づく拡大像（反射像）が形成される。
【００２８】
ＣＣＤ撮像素子１８は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、撮像面上の反射像を撮像し、ウエハ１１の観察領域４５（図３）の画像に関わる信号を画像処理装置１９に出力する。観察領域４５の画像は、ＣＣＤ撮像素子１８の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。
なお、上記の結像光学系(１６,１７)およびＣＣＤ撮像素子１８は、請求項の「撮像手段」に対応する。画像処理装置１９は、請求項の「検出手段」,「推定手段」に対応する。制御コンピュータ２０は「推定手段」,「算出手段」に対応する。
【００２９】
画像処理装置１９は、ＣＣＤ撮像素子１８からの出力信号に基づいて、ウエハ１１の観察領域４５（重ね合わせマーク３０を含む）の反射像を画像として取り込む。
ここで、ウエハ１１の観察領域４５の画像には、下地マーク４１自体の凹凸構造によるエッジ部分ではなく、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のエッジ部分と、レジストマーク４４の凹凸構造（Ｘ方向については凸部４４ａ,４４ｂ）によるエッジ部分とが現れる。エッジ部分とは、画像のうち輝度値の急変部分である。
【００３０】
画像処理装置１９は、ウエハ１１の観察領域４５の画像に現れた複数のエッジ部分のうち、レジストマーク４４に関わるエッジ部分の位置（ここでは図３のＣ,Ｄ）に基づいて、レジストマーク４４の位置（ここでは図３における凸部４４ａ,４４ｂの中心位置Ｗr）を検出する。また、疑似マーク４７に関わるエッジ部分の位置（ここでは図３のＥ,Ｆ）に基づいて、疑似マーク４７の位置（ここでは図３における凹部４７ａ,４７ｂの中心位置Ｗg）を検出する。
【００３１】
なお、下地マーク４１の位置は、エッジ部分４１ａ,４１ｂの位置（図３のＳ1,Ｓ2）の中心位置Ｗsとなる。しかし、ウエハ１１の重ね合わせ検査は、下地マーク４１が材料膜４２で覆われた状態のときに行われるため、下地マーク４１の位置Ｓを直接検出することはできない。
図４は、擬似マーク４７が対称であることと非対称であることを説明するための図である。擬似マーク４７のエッジ部分４７ａと４７ｂの双方の形状が図４（ａ）に示すような対称性を有しておれば、結果として擬似マーク４７の位置Ｗgは、下地マークの位置Ｗsに一致する。
【００３２】
そして、疑似マーク４７の位置Ｗgが下地マーク４１の位置Ｗsからずれている場合は、レジストマーク４４の位置Ｗrと疑似マーク４７の位置Ｗgとの差に基づいて、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ずれ量Δを検出しようとしても、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２０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Δを正確に検出する（詳細は後述する）。
【００３３】
重ね合わせずれ量Δの検出のため、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に関する検出結果は、画像処理装置１９から制御コンピュータ２０に出力される。
また、画像処理装置１９は、制御コンピュータ２０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のエッジ部分の形状がどの程度非対称であるかを示す特徴量（以下「非対称性特徴量」という）を検出し、制御コンピュータ２０に出力する。
【００３４】
さらに、上記の非対称性特徴量に加えて、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)、および、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)も、制御コンピュータ２０に出力する。本実施形態において、ショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)とは、図２（ｂ）の４つの重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄのうち何れか１つを特定するための情報である。
【００３５】
なお、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量を検出するに当たって、画像処理装置１９は、ウエハ１１の観察領域４５の画像に現れたエッジ部分のうち、疑似マーク４７に関わるエッジ部分の所定方向に沿った輝度変化を参照する。そして、この輝度変化の非対称性を特徴づける量を非対称性特徴量として検出する。
【００３６】
ちなみに、Ｘ方向に沿った輝度変化には、図５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とが現れている。このうち波形部分５７ａ,５７ｂの輝度変化に基づいて、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量が検出される。
【００３７】
疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量としては、例えば、(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５７ｂ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)との６つが考えられる。
【００３８】
Ｙ方向に沿った輝度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つの波形部分の輝度変化に基づいて、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点間の輝度差と所定方向（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。
【００３９】
本実施形態の画像処理装置１９では、上記した６つの傾きＳ(ab),Ｓ(bc),Ｓ(cd),Ｓ(ef),Ｓ(fg),Ｓ(gh)のうち、対をなす任意の２つ（例えばＳ(bc),Ｓ(fg)）を検出し、非対称性特徴量として制御コンピュータ２０に出力する。Ｓ(bc),Ｓ(fg)に代えて、Ｓ(ab),Ｓ(gh)を用いても、Ｓ(cd),Ｓ(ef)を用いてもよい。
さらに、本実施形態の画像処理装置１９では、上記の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）に加え、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)、および、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)も、制御コンピュータ２０に出力する。
【００４０】
そして、制御コンピュータ２０では、疑似マーク４７のエッジ部分の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）と、観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)および位置(Ｘｓ,Ｙｓ)とに基づいて、次の方法により、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。
位置ずれ量(δ)の推定のため、制御コンピュータ２０内のメモリには、４つの推定式が予め記憶されている。４つの推定式は何れも、次の式(１)のように、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)、および、疑似マーク４７のエッジ部分の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）を変数とし、これらの変数と位置ずれ量(δ)との関係を表したものである。式(１)のｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４は、予め決定された係数である。
【００４１】
δ＝ｋ０＋ｋ１・Ｘｗ＋ｋ２・Ｙｗ＋ｋ３・Ｓ(bc)＋ｋ４・Ｓ(fg) …(１)また、４つの推定式の各々は、通常、係数ｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４の値が互いに異なっている。そして、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)、つまり、４つの重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２(ｂ)）の各々に対応づけられて、制御コンピュータ２０内のメモリに記憶されている。
【００４２】
したがって、制御コンピュータ２０では、まず、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に基づいて、メモリ内の４つの推定式のうち１つを選択する。そして次に、選択した推定式の変数に、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)と非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）を代入することで、位置ずれ量(δ)を推定する。
【００４３】
すなわち、制御コンピュータ２０では、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)、つまり、４つの重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２(ｂ)）ごとに異なる推定式を用いて、位置ずれ量(δ)の推定を行う。
ここで、異なるショット領域２１に各々形成された重ね合わせマーク３０どうしは、ショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)が同じであれば、下地マーク４１を覆っている材料膜４２の形成状態に共通する傾向があると考えられる。このため、材料膜４２の表面４２ａに浮き出た疑似マーク４７のエッジ部分の形状（非対称性）にも、疑似マーク４７の位置ずれ量(δ)にも、共通する傾向があると考えられる。
【００４４】
逆に、異なるショット領域２１に各々形成された重ね合わせマーク３０どうしは、ショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)が異なれば、下地マーク４１を覆っている材料膜４２の形成状態にも、材料膜４２の表面４２ａに浮き出た疑似マーク４７のエッジ部分の形状（非対称性）にも、疑似マーク４７の位置ずれ量(δ)にも、共通する傾向がないと考えられる。
【００４５】
したがって、本実施形態では、疑似マーク４７の位置ずれ量(δ)がショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に依存すると考え、上記のように、その位置(Ｘｓ,Ｙｓ)ごとに異なる推定式を用いて位置ずれ量(δ)を推定する。その結果、位置ずれ量(δ)の推定精度を確実に向上させることができる。
さて次に、ショット領域２１内での位置(Ｘｓ,Ｙｓ)ごとに異なる４つの推定式（式(１)参照）について、その作成手順を説明する。推定式の作成に当たっては、テストウエハが重ね合わせ検査装置１０の検査ステージ１２に載置される。テストウエハには、ウエハ１１の重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２(ｂ)）と同様の重ね合わせマークがｎ個のショット領域２１の四隅に各々形成されているとする。
【００４６】
また、テストウエハの各重ね合わせマークも、図３(ｂ)に示すように、下地マークが材料膜で覆われた状態にある。この状態で、各々の重ね合わせマークを含む観察領域は、順次、重ね合わせ検査装置１０の視野内に位置決めされ、画像として画像処理装置１９に取り込まれる。
そして、画像処理装置１９は、上記のウエハ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レジストマークの位置Ｔriと、疑似マークの位置Ｔgiと、疑似マークのエッジ形状の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc)i,Ｓ(fg)i）とを検出する（ｉ＝１,２,…,ｎ）。これらの検出結果は、テストウエハ内での観察領域の位置(Ｘｗi,Ｙｗi)とショット領域内での位置(Ｘｓi,Ｙｓi)とに対応づけられ、制御コンピュータ２０内のメモリに記憶される。
【００４７】
次いで、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を直接検出するために、テストウエハの材料膜が実際にエッチングされる（図６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関わるエッジ部分が現れる。したがって、画像処理装置１９では、各々の重ね合わせマークにおける下地マークの位置Ｔsiを直接検出することができる（ｉ＝１,２,…,ｎ）。また、レジストマークの位置Ｔriも同様に検出する。これらの検出結果も、観察領域のテストウエハ内での位置(Ｘｗi,Ｙｗi)とショット領域内での位置(Ｘｓi,Ｙｓi)とに対応づけられ、制御コンピュータ２０内のメモリに記憶される。
【００４８】
そして、制御コンピュータ２０では、テストウエハを用いて検出した疑似マークの位置Ｔgiと下地マークの位置Ｔsiとの差に基づいて、テストウエハ内での位置(Ｘｗi,Ｙｗi)ごとに、位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）を算出する。
この位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）は、ウエハ１１の表面内での２次元ベクトル量であり、例えば図７(ａ)に示すような分布となる。図７（ａ）において、各ベクトルの始点は、観察領域の位置に対応している。図７（ａ）は、１５個のショット領域について、各ショット領域の四隅に形成された重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄそれぞれの位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）を示している。図７(ａ)の横軸は各ベクトルのＸ方向の長さ(ｎｍ)を表し、縦軸はＹ方向の長さ(ｎｍ)を表している。
【００４９】
また、上記の位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）は、エッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢiとエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡiとの差に相当している。エッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢiとは、図３(ｂ)の状態で検出したレジストマークの位置Ｔriと疑似マークの位置Ｔgiとの差である。エッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡiとは、図６の状態で検出したレジストマークの位置Ｔriと下地マークの位置Ｔsiとの差である。
【００５０】
図７(ａ)に示す位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）のベクトル分布を、エッチング前後の重ね合わせずれ量ΔＢi,ΔＡiを用いて表すと、例えば図７(ｂ),(ｃ)のようになる。図７(ｂ),(ｃ)の横軸はエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡiの大きさ(ｘ,ｙ)を表し、縦軸はエッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢiの大きさ(ｘ,ｙ)を表している。
【００５１】
図７(ｂ),(ｃ)の各々において、中央の４５°ラインは、エッチング前後の重ね合わせずれ量ΔＢi,ΔＡiの大きさ(ｘ,ｙ)が一致する理想的な場合を表している。既に説明したように、疑似マークのエッジ部分の形状が非対称な場合（図４(ｂ)）には、エッチング前後の重ね合わせずれ量ΔＢi,ΔＡiが一致せず、図７(ｂ),(ｃ)に示すように測定点が理想的な４５°ラインから大きく外れることになる。
【００５２】
そして、図７(ｂ)における４５°ラインからの外れ量は、図７(ａ)の位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）のＸ方向の長さに対応する。同様に、図７(ｃ)における４５°ラインからの外れ量は、図７(ａ)の位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）のＹ方向の長さに対応する。
これらの外れ量を補正して、各々の測定点を４５°ライン上に乗せるために、制御コンピュータ２０は、位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）が、疑似マークのエッジ部分の形状の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc)i,Ｓ(fg)i）と、テストウエハ内での位置(Ｘｗi,Ｙｗi)との線形結合で表されると仮定して、次の関係式(２)を作成する（ｉ＝１,２,…,ｎ）。ｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４は、未知の係数である。
【００５３】
Ｔgi−Ｔsi ＝ ｋ０＋ｋ１・Ｘｗi＋ｋ２・Ｙｗi
＋ｋ３・Ｓ(bc)i＋ｋ４・Ｓ(fg)i …(２)さらに、前述した通り、異なるショット領域に各々形成された重ね合わせマークどうしは、ショット領域内での位置(Ｘｓi,Ｙｓi)が同じであれば、疑似マークのエッジ部分の形状（非対称性）および位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）に、共通の傾向（規則性）があると考えられる。
【００５４】
したがって、制御コンピュータ２０は、上記の関係式(２)のうち、ショット領域内での位置(Ｘｓi,Ｙｓi)が同じものどうしを選択し、選択した関係式(２)に含まれる実測値「Ｔgi,Ｔsi,Ｘｗi,Ｙｗi,Ｓ(bc)i,Ｓ(fg)i」の組み合わせから（ｉ∈[１,２,…ｎ]）、重回帰分析によって、未知の係数ｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４を計算する。
【００５５】
本実施形態では、ショット領域内の重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２(ｂ)）ごとに、上記の関係式(２)から重回帰分析によって係数ｋ０,ｋ１,ｋ２,ｋ３,ｋ４の値を計算し、上記した位置ずれ量(δ)の推定式（式(１)）を決定する。このため、制御コンピュータ２０内のメモリには、４つの推定式がショット領域内の重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄに対応づけられて記憶される。
【００５６】
このように、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０では、位置ずれ量(δ)の推定式（式(１)）がウエハ１１に対する重ね合わせ検査に先立って決定され、メモリ内に記憶されているため、制御コンピュータ２０では、まず、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に基づいて、メモリ内の４つの推定式のうち１つを選択する。
【００５７】
そして次に、選択した推定式の変数に、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)と非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）を代入する。その結果、疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量(δ)を精度良く推定することができる。
さらに、制御コンピュータ２０では、画像処理装置１９によって既に検出されていたレジストマーク４４の位置Ｗrと疑似マーク４７の位置Ｗgとの差を計算する。この差（Ｗr−Ｗg）は、材料膜４２に対するエッチング前（図３(ｂ)）の状態）での重ね合わせずれ量ΔＢに相当する。
【００５８】
そして、このエッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢを上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づいて補正することにより、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ΔＢ（＝Ｗr−Ｗg＋δ）を検出する。その結果、重ね合わせずれ量ΔＢの正確な検出結果を得ることができる。
ここで、高精度な推定結果（位置ずれ量δ）による補正後の重ね合わせずれ量ΔＢ、つまり、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０による検出結果について、その正確性を検討しておく。この検討のため、上記したテストウエハの場合と同様に、ウエハ１１の材料膜４２を実際にエッチングする（図６の状態）。そして、エッチング後のウエハ１１における各重ね合わせマーク３０の画像を取り込む。
【００５９】
取り込まれた画像には、下地マーク４１自体の凹凸構造に関わるエッジ部分が現れている。したがって、画像処理装置１９は、各々の重ね合わせマーク３０における下地マーク４１の位置Ｔsを直接検出すると共に、レジストマークの位置Ｔrを検出し、検出結果を制御コンピュータ２０に出力する。さらに、制御コンピュータ２０は、レジストマークの位置Ｔrと下地マーク４１の位置Ｔsとの差に基づいて、エッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡを計算する。
【００６０】
このようにして得られたエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡに対して、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０による検出結果（エッチング前でかつ補正後の重ね合わせずれ量ΔＢ）が一致しているか否かは、図８(ａ)〜(ｃ)に示される通りである。図８(ａ)における観察領域の各位置は、図７（ａ）と同じである。また、図８(ａ)〜(ｃ)の縦軸,横軸は、図７(ａ)〜(ｃ)と同じである。
【００６１】
図８(ｂ),(ｃ)と図７(ｂ),(ｃ)を比較すると分かるように、図８(ｂ),(ｃ)の方が、各々の測定点の理想的な４５°ラインからの外れ量が小さい。これは、エッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢを上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づいて補正することにより、エッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡに近い値の正確な検出結果が得られたことを意味する。
【００６２】
このことは、図８(ａ)と図７(ａ)を比較しても分かる。図８(ａ)は、エッチング前でかつ補正後の重ね合わせずれ量ΔＢとエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡとの差を、ウエハ１１の表面内でのベクトル分布として表したものである。各々のベクトルは、図８(ａ)の方が短い。これは、上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づく補正によって正確な検出結果が得られることを表している。
【００６３】
なお、図８(ｂ),(ｃ)において、各測定点の４５°ラインからの外れ量は、最大値が５１.８８(ｎｍ),４５.４３(ｎｍ)であり、標準偏差が２４.２１(ｎｍ),１４.０３(ｎｍ)であった。これに対して、図７(ｂ),(ｃ)では、最大値が１４９.１４(ｎｍ),１０５.０２(ｎｍ)であり、標準偏差が６０.６７(ｎｍ),４８.７８(ｎｍ)である。これらの数値からも、上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づく補正によって正確な検出結果が得られることが分かる。
【００６４】
このように、本実施形態では、下地マーク４１とレジストマーク４４との重ね合わせずれ量ΔＢを正確に検出できるため、下地マーク４１が材料膜４２で覆われた状態のときに疑似マーク４７のエッジ部分の形状が非対称でも、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することができる。
また、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。さらに、半導体素子や液晶表示素子の高集積化にも対応できる。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。
【００６５】
上記した実施形態では、式(１)のように、位置ずれ量の推定式の変数として、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)と、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量（２つの傾きＳ(bc),Ｓ(fg)）とを用いたが、本発明はこの例に限定されない。非対称性特徴量は、傾きＳ(bc),Ｓ(fg)に代えて、傾きＳ(ab),Ｓ(gh)を用いても、傾きＳ(cd),Ｓ(ef)を用いてもよい。これらの傾きＳ(ab),Ｓ(bc),Ｓ(cd),Ｓ(ef),Ｓ(fg),Ｓ(gh)を任意に組み合わせても良い。
【００６６】
また、位置ずれ量の推定式の変数として、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)のみを用いても、非対称性特徴量のみを用いてもよい。その他に、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)を、位置ずれ量の推定式の変数として用いることもできる。
また、上記した実施形態では、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)ごとに異なる推定式を用いて位置ずれ量(δ)の推定を行ったが、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に拘わらず同じ推定式を用いて位置ずれ量(δ)を推定してもよい。この場合、推定式の変数としては、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)を用いることが好ましく、この位置(Ｘｗ,Ｙｗ)と非対称性特徴量とを組み合わせても良い。
【００６７】
図９（ａ）は、図７（ａ）の場合とは、別のテストウエハを用いて、図７（ａ）の場合と同様の観察領域の位置における位置ずれ量（Ｔgi−Ｔsi）の分布を示したものである。図９(ａ)〜(ｃ)の縦軸,横軸は、図７(ａ)〜(ｃ)と同じである。
図１０（ａ）は、上述のように、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)に拘わらず同じ推定式を用いて位置ずれ量(δ)を推定した例である。すなわち、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)、および、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量（４つの傾き）を変数とし、これらの変数と位置ずれ量(δ)との関係を表した１つの推定式を用いた場合である。図１０(ａ)における観察領域の各位置は、図９（ａ）と同じである。また、図１０(ａ)〜(ｃ)の縦軸,横軸は、図９(ａ)〜(ｃ)と同じである。
【００６８】
この場合でも、図９,図１０に示す通り、ウエハ１１の全面において疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量(δ)を精度良く推定することができ、重ね合わせずれ量ΔＢの正確な検出結果を得ることができる。これは、図９（ａ）のように、位置ずれ量がウエハの中心から外周方向へ放射状に分布している場合には、その位置ずれ量は、ショット領域２１内での観察領域４５の位置(Ｘｓ,Ｙｓ)よりも、ウエハ１１内での観察領域４５の位置(Ｘｗ,Ｙｗ)に大きく影響されるからである。
【００６９】
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ検査装置１０内の画像処理装置１９,制御コンピュータによって、疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量(δ)の推定や重ね合わせずれ量ΔＢの検出などを行ったが、重ね合わせ検査装置１０に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下地マークが材料膜で覆われた状態において、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。
【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のショット領域２１を説明する図である。
【図３】ショット領域２１内の重ね合わせマーク３０を説明する図である。
【図４】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。
【図５】重ね合わせマーク３０の画像の輝度変化を説明する図である。
【図６】材料膜４２に対するエッチング後の状態を説明する図である。
【図７】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正前）を説明する図である。
【図８】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正後）を説明する図である。
【図９】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正前）を説明する図である。
【図１０】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正後）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 光源
１４ 照明レンズ
１５ プリズム
１６ 対物レンズ
１７ 結像レンズ
１８ ＣＣＤ撮像素子
１９ 画像処理装置
２０ 制御コンピュータ
２１ ショット領域
３０ 重ね合わせマーク
４１ 下地マーク
４２ 材料膜
４４ レジストマーク
４５ 観察領域
４７ 疑似マーク
Claims (2)
- 第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成された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において、
前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像手段と、
前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出手段と、
前記ショット領域内での前記マーク領域の位置ごとに異なる推定式を用い、該推定式にしたがって前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定手段と、
前記検出手段による検出結果と前記推定手段による推定結果とに基づいて、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、
前記推定式は、前記ショット領域を含む被検基板内での前記マーク領域の位置および前記疑似マークに関わる前記エッジ部分の輝度変化の非対称性を特徴づける量を変数とし、該変数と前記位置ずれ量との関係を表す式であり、
前記推定手段は、前記位置ずれ量の推定に先立って前記変数の値を求め、該値を前記推定式に代入することで、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。 - 第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成された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において、
前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像工程と、
前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出工程と、
前記ショット領域内での前記マーク領域の位置ごとに異なる推定式を用い、該推定式にしたがって前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定工程と、
前記検出手段による検出結果と前記推定手段による推定結果とに基づいて、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、
前記推定式は、前記ショット領域を含む被検基板内での前記マーク領域の位置および前記疑似マークに関わる前記エッジ部分の輝度変化の非対称性を特徴づける量を変数とし、該変数と前記位置ずれ量との関係を表す式であり、
前記推定工程は、前記位置ずれ量の推定に先立って前記変数の値を求め、該値を前記推定式に代入することで、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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002340651A JP4096715B2 (ja) | 2002-11-25 | 2002-11-25 | 重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002340651A JP4096715B2 (ja) | 2002-11-25 | 2002-11-25 | 重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004179221A JP2004179221A (ja) | 2004-06-24 |
| JP4096715B2 true JP4096715B2 (ja) | 2008-06-04 |
Family
ID=32703213
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002340651A Expired - Lifetime JP4096715B2 (ja) | 2002-11-25 | 2002-11-25 | 重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4096715B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4856865B2 (ja) * | 2004-10-05 | 2012-01-18 | キヤノン株式会社 | 位置検出方法 |
| JP5806350B2 (ja) | 2014-02-13 | 2015-11-10 | 東京エレクトロン株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
| CN104317170B (zh) * | 2014-11-14 | 2016-08-17 | 四川飞阳科技有限公司 | 测量套刻精度的方法及装置、光刻方法 |
| US9972547B2 (en) | 2016-03-10 | 2018-05-15 | Toshiba Memory Corporation | Measurement method, manufacturing method of device, and measurement system |
| JP6926403B2 (ja) * | 2016-05-31 | 2021-08-25 | 株式会社ニコン | 位置検出装置及び位置検出方法、露光装置及び露光方法、並びに、デバイス製造方法 |
| CN113013076B (zh) * | 2021-02-25 | 2022-06-10 | 长鑫存储技术有限公司 | 套刻标记的形成方法及半导体结构 |
-
2002
- 2002-11-25 JP JP2002340651A patent/JP4096715B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004179221A (ja) | 2004-06-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5500736A (en) | Method of detecting positions | |
| JP2009239077A (ja) | 位置検出装置、位置検出方法、露光装置及びデバイス製造方法 | |
| JP3882588B2 (ja) | マーク位置検出装置 | |
| JP2006276454A (ja) | 画像補正方法、およびこれを用いたパターン欠陥検査方法 | |
| JP2004022797A (ja) | マーク位置検出装置およびマーク位置検出方法 | |
| JP4096715B2 (ja) | 重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法 | |
| JP4725822B2 (ja) | 光学的位置ずれ検出装置 | |
| JP4442130B2 (ja) | 重ね合わせ測定装置および方法 | |
| US5978094A (en) | Alignment device and method based on imaging characteristics of the image pickup system | |
| JP4178875B2 (ja) | マーク位置検出装置、マーク位置検出方法、重ね合わせ測定装置、および、重ね合わせ測定方法 | |
| JP4078953B2 (ja) | マーク位置検出装置ならびにその調整用基板および調整方法 | |
| JP4957027B2 (ja) | 重ね合わせ測定装置 | |
| JP4029210B2 (ja) | 繋ぎ合わせ測定装置および分割露光用マスク | |
| JP2002124458A (ja) | 重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法 | |
| JP4300802B2 (ja) | マーク位置検出装置、マーク位置検出方法、重ね合わせ測定装置、および、重ね合わせ測定方法 | |
| JP4599810B2 (ja) | 重ね合わせ検査方法 | |
| JP3994223B2 (ja) | 重ね合わせ測定装置および重ね合わせ測定方法 | |
| JP4389668B2 (ja) | 位置検出方法および位置検出装置 | |
| JP4207689B2 (ja) | 位置ずれ測定装置 | |
| JP3427836B2 (ja) | 位置合わせ装置及び位置合わせ方法 | |
| JP2000340482A (ja) | 露光方法及びこの方法を用いた露光装置 | |
| JP4599893B2 (ja) | 位置ずれ検出方法 | |
| JP5922927B2 (ja) | 位置を求める方法、情報処理装置、リソグラフィ装置及び物品の製造方法 | |
| JP3814982B2 (ja) | 重ね合わせ精度測定方法及び測定機 | |
| JP2005024367A (ja) | 位置ずれ測定方法、位置ずれ測定装置、およびマーク |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050927 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070226 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071113 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080111 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080219 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080303 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4096715 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110321 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110321 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140321 Year of fee payment: 6 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140321 Year of fee payment: 6 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |