JP6002480B2 - オーバーレイ誤差測定装置、及びパターン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 - Google Patents

Description

本発明は、パターンの測定を実行する測定装置に係り、特に多層構造を持つ半導体デバイスの層間のずれを評価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に関する。

近年の半導体プロセスにおける試料上に形成されるパターンの微細化要求に伴い、露光装置の複数層間にわたるパターンの重ね合わせ（オーバーレイ）精度の向上が求められている。オーバーレイを高精度に計測して露光装置へフィードバックすることはますます重要になると考えられる。従来からオーバーレイ計測には光学式のオーバーレイ計測装置を用いることが主流であった。しかし光学式オーバーレイ計測装置には計測精度限界やオーバーレイ計測用に広いパターン領域が必要となる。また、光学式オーバーレイ計測装置には原理上、露光装置の高次の歪みによって発生するオーバーレイずれの検出が困難である。

一方、走査電子顕微鏡などの荷電粒子線装置は、高い倍率の高分解能画像を取得することができるため、層間のずれを正確に測定することができる。

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走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）を用いて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。

特許文献２には、ウェーハ上の上部レイヤと下部レイヤとの間を整列するためのオーバレイバーニアおよびこれを用いた半導体素子の製造方法が開示されている。

特開２００７−２４８０８７号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，０１９，１６１） 特開２００６−３２４６３１号公報（対応米国特許公開公報ＵＳ２００６／０２６３７０６）

荷電粒子線装置によって得られる画像は、試料から放出される電子やイオンの検出に基づいて形成されるため、例えば層間に膜が形成されているような場合、その膜を通過できない粒子の存在により、上層に対して下層の情報が不足することになる。一般的に走査電子顕微鏡によるパターン間寸法の測定は、輝度プロファイルのピーク間の寸法やＳＥＭ画像に基づいて形成される輪郭線間の寸法を測定することによって行われるが、下層パターンの情報が少ないため十分な測定精度を確保することが困難となる場合がある。

特許文献１、２には、下層パターンの信号量が不足している場合の解決策については何等説明がない。

以下に、下層パターンが薄膜下に配置され、十分な信号量を確保できないような場合であっても、オーバーレイ誤差測定を高精度に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について説明する。

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信号波形に基づいて、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、前記信号波形の部分的な抽出に基づいて得られる部分波形を用いて、前記信号波形との相関を求め、当該相関を示す相関プロファイルを形成し、当該相関プロファイルを用いて異なるレイヤに属するパターン間の寸法を測定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。

また、上記目的を達成するための他の態様として、荷電粒子線装置によって得られた信号波形に基づいて、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、前記信号波形について、所定値以上の輝度を持つ部分と、当該所定値未満の輝度を持つ部分とを識別し、当該所定値以上の輝度を持つ部分から第１の測定基準を抽出すると共に、当該所定値未満の輝度を持つ部分から第２の測定基準を抽出し、当該第１の測定基準と第２の測定基準との間の寸法を測定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。

上記構成によれば、下層パターンが薄膜下に配置され、十分な信号量を確保できないような場合であっても、オーバーレイ誤差測定を高精度に行うことが可能となる。

走査電子顕微鏡の概略を示した図。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの断面図。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの電子顕微鏡像の一例を示す図。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの二次電子プロファイルを示した図。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの電子顕微鏡像と二次電子プロファイルおよび対称性プロファイルを示した図。 上層と下層との間のずれが大きいオーバーレイ誤差計測対象となるパターンの電子顕微鏡像と二次電子プロファイルおよび対称性プロファイルを示した図。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの電子顕微鏡像、２つの上層パターンの二次電子プロファイル、および平均化プロファイルを示した図。 スペーサーの線幅が小さくなったパターンのギャップ判別法の概要を示す図。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの断面図。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの電子顕微鏡像の一例を示す図。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの二次電子プロファイルを示した図。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの電子顕微鏡像と二次電子プロファイルおよび対称性プロファイルを示した図。 オーバーレイパターン計測のパラメータを設定するためのＧＵＩ画面の一例を示す図。 信号波形の部分的な抽出に基づいて作成される相関値算出用テンプレートの一例を示す図。 オーバーレイ誤差計測の工程を示すフローチャート。 オーバーレイ誤差計測対象となるパターンの別の対称性プロファイルを示す図。 別のオーバーレイ誤差計測の工程を示すフローチャート。 さらに別のオーバーレイ誤差計測の工程を示すフローチャート。

荷電粒子線によるオーバーレイ計測を実施する場合、高分解能であるという利点がある半面、試料パターンの材質によっては帯電のために電粒子線強度のプロファイルが非対称となってしまう場合がある。このような荷電粒子線装置に起因する非対称なプロファイルでは精度よくオーバーレイを計測することができないため、対称なプロファイルを得るための制御は重要である。

オーバーレイ誤差測定を行う場合、パターンのエッジを基準とした測定だと、光近接効果（Optical Proximity Effect：ＯＰＥ）やその他のパターンの変形要因によって、パターンの変形によるずれと、オーバーレイ誤差が混在してしまい、高精度なオーバーレイ誤差測定が困難になる場合がある。そのため、パターンの重心点間の距離を測定することができれば、パターン変形分の測定誤差の発生を抑制することができる。

一方、荷電粒子線によるオーバーレイ計測において下層パターンからの信号は上層と下層間の膜を透過した荷電粒子であるため、その信号強度は弱く、原理的に従来のエッジ検出による重心検出は難しい場合がある。すなわち下層パターンの重心位置を正確に特定できない場合がある。上層のパターンと下層のパターンでは、パターンを形成するまでの処理や上層と下層間の膜などによって見え方が異なる。このためエッジ検出方法をそれぞれ別の方法にすることが望ましい。またテンプレートなどを登録しておき、当該テンプレートを用いたテンプレートマッチングや当該テンプレートとの差分を測定する手法があるが、下層の情報が不足していると、マッチングエラーや測定精度の低下の要因となる場合もある。

更に半導体プロセス開発時では露光装置の条件を最適化するために重ね合わせずれを意図的に大きくすることがあるが、上下層パターンエッジが重なってしまいエッジを分離することが困難となる場合がある。

また、パターンによっては自動で上層のパターンと下層のパターンを判別して重心検出をすることができない場合がある。また、フォーカスぼけや上下層の位置ずれが原因で発生するコントラスト変化に対しても安定して重心を検出することが困難であった。

露光装置の光のエネルギー密度の不均一性によって発生する外側のパターンの非対称性やパターン崩れによっても重心計測の精度が低下する場合がある。また、荷電粒子線の照射による局所的なパターンの帯電が原因で発生するプロファイルの非対称性によって重心計測の精度が低下する場合がある。

露光時の光エネルギーの密度の不均一性によってパターン自体が非対称となる場合がある。このようなパターンでは正しく重心位置を計算できずオーバーレイ計測の精度低下につながる。

オーバーレイ計測を自動で運転する場合、あらかじめオーバーレイパターンの位置情報や荷電粒子線装置の観察条件を記述したファイル（以下レシピファイル）を作成する。自動運転時はレシピファイルを読み出して記述された情報に従って実行される。オーバーレイ計測用パターンのエッジを検出するには視野内のすべての上層のパターンおよび下層のパターンのエッジ検出範囲を指定する必要があった。また、信号強度プロファイルに対してエッジ位置を定義するしきい値を個別に設定する必要があった。表示されるエッジ検出位置はオーバーレイ計測では副次的な情報であり、直感的にずれを見ることができなかった。

以下に説明する実施例では、上述のようなオーバーレイ誤差測定を行う際の技術課題に鑑み、撮像装置によって得られた信号波形の一部の抽出に基づいてテンプレート波形を作成し、当該テンプレート波形を用いた前記信号波形のサーチによって、相関値プロファイルを作成し、当該相関値プロファイルを用いて、層間の測定を実行するオーバーレイ誤差測定装置について説明する。また、上記テンプレート波形を反転させることによって反転テンプレートを作成し、当該反転テンプレートを用いたサーチによって、相関値プロファイルを作成する例について説明する。

反転テンプレートを用いたサーチによって、相関値プロファイルは対称性評価プロファイルとなる。対称性評価プロファイルは、波形信号の部分的な対称性（左右対称性）の程度を示すものとなる。

このように検出信号の量を示す信号波形ではなく、信号波形の形状を評価するプロファイルを用いた測定を行うことによって、信号量が少ない下層パターンであっても正確にオーバーレイ誤差測定の測定基準を見出すことが可能となる。

更に、本実施例では、試料上に形成された第一層目のパターンと、第一層目のパターンとは別に形成された第二層目のパターンを含む領域を荷電粒子線で走査し、当該走査箇所から放出される荷電粒子に基づいて、荷電粒子線強度のプロファイルを作成し、当該プロファイルから算出される特徴値に基づいた判別方法により前記２種類のパターンを判別して、前記第一層のパターンの重心と第二層のパターンの重心を求め、それぞれの重心の差分を算出する方法を提案する。

荷電粒子線強度のプロファイルからパターンごと対称性を求め、その対称性の強度より上層、下層を判別すると共に、重心位置を検出し、重心位置の差から上層、下層パターンのずれを計測する。下層パターンの信号が弱い場合でもエッジ検出をする必要がなく、安定したオーバーレイ計測が可能である。

以下に説明する実施例では、第一層目のパターンと第二層目のパターンを判別するために、各層からの荷電粒子の放出量が異なる点を利用する。この差は、第一層目のパターンと第二層目のパターンを形成するプロセスや層間膜に依存しており、結果として表れる画像のコントラスト差や信号強度プロファイル差を比較することで判別することが可能である。

さらに前記求めた第一層のパターンの重心位置と第二層のパターンの重心位置でのみ信号強度を比較、判定することもできる。荷電粒子線の照射による局所的なパターンの帯電は第一の走査方向と第二の走査方向を１８０度となるように走査することで平均化される。

荷電粒子線強度のプロファイルからパターンごと対称性をもとめ、その対称性の強度とパターン配置より選択的に重心計算するパターンを決定する。

荷電粒子線強度のプロファイルから求めたパターンごと対称性と、作業者が事前に登録した情報（第一層のパターン数およびパターン間のピッチと第二層のパターン数およびパターン間のピッチ）に基づいて上下層を判別して、それぞれの重心から差分を算出する。検出した重心位置に基づいて断面模式図とパターン位置およびずれ画像表示装置上に重畳して表示する。

以下に説明する実施例によれば、荷電粒子線によるオーバーレイ計測において下層パターンの弱い荷電粒子信号から安定して重心を検出することが可能となる。上層のパターンと下層のパターンとでは、パターンを形成するまでの処理や上層と下層間の膜などによって見え方が異なるが、荷電粒子線強度のプロファイルの対称性を評価基準とすることによって、上層と下層との間でエッジ検出方法を変更することなく、正確なオーバーレイ誤差測定を行うことも可能である。さらに半導体プロセス開発時では露光装置の条件を最適化するために重ね合わせずれを意図的に大きくすることがあるが、そのようなパターンであっても荷電粒子線強度のプロファイルの対称性を用いることで重心位置を検出することが可能である。

重心検出に使用する対称性プロファイルを用いることで上層パターンと下層パターンを自動で判別をすることができる。また、フォーカスぼけや上下層の位置ずれが原因で発生するコントラスト変化に対しても安定して重心検出をすることが可能となる。これにより荷電粒子線装置でオーバーレイ計測の自動運転する際に処理時間がもっとも必要な焦点合わせ処理を簡素化でき、精度を落とさずにスループットを向上させることができる。

高速に往復するスキャン方法によって局所的なパターンの帯電が原因で発生するプロファイルの非対称性を軽減することができ、重心計測の精度を向上させることができる。これによりオーバーレイ計測に必要な精度を得るためのパターン数を減らすことができるため、半導体チップ内に占める領域の割合を少なくすることができる。

露光装置の光のエネルギー密度の不均一性によって発生する外側のパターンの非対称性やパターン崩れを評価して、重心計算に使用するパターンを限定して（例えば内側のパターンのみを使用する）重ね合わせ計測の精度を向上することができる。

作業者は煩雑なエッジ検出のパラメータを入力することなく必要最低限の情報を入力するだけでオーバーレイ計測の指定をすることができる。自動判別によってオーバーレイ計測のためのパターン位置指定などの作業を軽減できる。検出した重心位置に基づいて断面模式図とパターン位置およびずれ画像表示装置上に重畳して表示することにより直感的にずれを見ることができるため、レシピの登録作業においてパラメータが適切かを容易に判断できる。

図１は走査電子顕微鏡の構成概要のブロック図である。全体制御部１２５はユーザーインターフェース１２８から作業者によって入力された電子の加速電圧、ウェーハ１１１の情報、観察位置情報などを基に、電子光学系制御装置１２６、ステージ制御装置１２７を介して、装置全体の制御を行っている。ウェーハ１１１は図示されない試料搬送装置を介して、試料交換室を経由した後試料室１１３にあるステージ１１２上に固定される。

電子光学系制御装置１２６は全体制御部１２５からの命令に従い高電圧制御装置１１５、第一コンデンサレンズ制御部１１６、第二コンデンサレンズ制御部１１７、二次電子信号増幅器１１８、アライメント制御部１１９、偏向信号制御部１２２、対物レンズ制御部１２１を制御している。

引出電極１０２により電子源１０１から引き出された一次電子線１０３は第一コンデンサレンズ１０４、第二コンデンサレンズ１０６、対物レンズ１１０により収束されウェーハ１１１（試料）上に照射される。途中電子線は絞り１０５を通過し、アライメントコイル１０８によりその軌道を調整され、また、偏向信号制御部１２０を介して偏向信号制御部１２２から信号を受けた偏向コイル１０９により試料上を二次元的に走査される。ウェーハ１１１への一次電子線１０３の照射に起因して、ウェーハ１１１から放出される二次電子１１４は二次電子検出器１０７により捕捉され、二次電子信号増幅器１１８を介して二次電子像表示装置１２４の輝度信号として使用される。二次電子像表示装置１２４の偏向信号と、偏向コイルの偏向信号とは同期しているため、二次電子像表示装置１２４上にはウェーハ１１１上のパターン形状が忠実に再現される。

また、パターンの寸法計測に使用する画像を作成するため、二次電子信号増幅器１１８から出力される信号を画像処理プロセッサ１２３内でＡＤ変換し、デジタル画像データを作成する。さらにデジタル画像データから二次電子プロファイルを作成する。

作成された二次電子プロファイルから計測する範囲を、手動、もしくは一定のアルゴリズムに基づいて自動選択し、選択範囲の画素数を算出する。一次電子線１０３により走査された観察領域の実寸法と当該観察領域に対応する画素数から試料上での実寸法を計測する。

なお、以上の説明では荷電粒子線装置の一例として、電子線を用いる走査電子顕微鏡を例にとって説明したが、これに限られることはなく、例えばイオンビームを用いるイオンビーム照射装置であってもよい。また、以下の説明では後述するような処理を実行する実行主体を演算処理装置と称する場合もある。

図２にオーバーレイ計測に用いられる代表的なパターン例（以下オーバーレイパターン）の断面図を示す。オーバーレイ計測で用いられるパターンは、上下２層分のパターンを上から観察したときに重ならないように形成される。下層パターンはさまざまな形状が考えられるが代表的な例としてウェーハ２０１に形成されたトレンチ２０２に埋め込まれた下層パターン２０３を示す。上層パターン２０４は下層パターン２０３とは別の工程で形成され、およそ半ピッチずれた位置に形成されている。なお、上層と下層間には露光時の光の干渉を防ぐための反射防止膜２０５が形成されている。なお、ここで説明したオーバーレイパターンの一例であり、二重露光や自己整合型ダブルパターニングによって形成されたオーバーレイパターンでもよい。

図３に試料上に形成されたオーバーレイパターンの電子顕微鏡像３０１を示す。当該電子顕微鏡像において、輝度が高く白く見える部分３０４が上層パターン２０４の二次電子信号であり、輝度が低く黒く見える部分３０３が下層パターン２０３の二次電子信号である。基盤であるウェーハ表面からの下層パターン３０２に相当する。なお、輝度はパターンや基盤を形成する材質による。

図４に当該電子顕微鏡像３０１から作成した二次電子プロファイル４０１示す。二次電子プロファイルは電子顕微鏡像３０１の全部または部分をｘ方向に投影処理して作成する。二次電子プロファイル４０１では、上層パターン２０４に相当する部分のプロファイル（上層パターンプロファイル４０２）が高くなり、下層パターン２０３に相当する部分（下層パターンプロファイル４０３）で低くなっている。加えて、上層パターンプロファイル４０２の左右で二次電子のエッジ効果によるピークが見られる。これは、角度の異なる面が接触するエッジ部分を電子線で走査した場合、エッジ部分において平面よりも二次電子が放出されやすくなるためであり、エッジが鋭利であるほど放出される二次電子量も多くなる。逆に下層パターン２０３に相当する部分のプロファイル４０３では形状としてのエッジ部分はなく、ウェーハ２０１と下層パターン２０３との材質の違いに起因する放出二次電子量の差が輝度の違いとして現われている。さらに反射防止膜２０５を通して二次電子が放出されるため、形状情報を反映した信号は少なくなる。

本実施例ではこのような上層パターン２０４と下層パターン２０３の二次電子信号の生成される工程の違いを利用してパターンを認識する。また、位置ずれの検出には形成されたパターン自体の対称性とパターン配置の対称性を利用する。

図５に当該電子顕微鏡像３０１から作成した二次電子プロファイル４０１、対称性プロファイル５０１および図１５のフロー図を用いて上層パターンと下層パターンの判別方法と位置ずれを計算する方法を説明する。以下の処理はＳＥＭの演算処理装置によって行うようにしても良いし、以下の処理をコンピュータープログラムによって、外部のコンピューターに実行させるようにしても良い。測定処理を実行するコンピューターには当該コンピュータープログラムを記憶するための記憶媒体が搭載されている。また、ＳＥＭのような撮像装置によって取得された画像データや信号波形情報を、記憶可能な記憶媒体を備え、上述或いは後述する処理を実行する演算処理装置をオーバーレイ誤差測定装置とすることもできる。

後述のモデル情報を画像処理プロセッサ１２３読込んだ後（Ｓ５００１）、電子顕微鏡像３０１を画像処理プロセッサ１２３に取り込む（Ｓ５００２）。電子顕微鏡像３０１の任意の位置から投影プロファイルである二次電子プロファイル４０１を作成する（Ｓ５００３）。次に二次電子プロファイル４０１上を任意領域５２０でスキャンしながら反転したプロファイル部分との相関値を計算した対称性プロファイルを作成する（Ｓ５００４）。

なお、対称性プロファイル５０１は、部分的に抽出された波形に基づいて得られる信号波形と、二次電子プロファイル４０１との間の相関を示す相関プロファイルであり、部分波形と二次電子プロファイル４０１の各位置との相関を示すものである。特に本実施例の場合、部分領域として信号波形の内、輝度が最も低い部分を含む波形を抽出すると共に、当該抽出波形を反転することによって、二次電子プロファイル４０１をサーチするための部分波形を作成する。反転したパターンを用いても相関が高いと判定されるパターンは、左右形状が対称である対称パターンであるため、当該サーチによって、対称パターンを明確に識別することが可能となる。

反転したプロファイル部分は例えば図１４に例示するように、二次電子プロファイル上の任意領域５２０の信号波形２１０１を、反転波形２１０２のように、左右反転させたものである。このような波形信号を含むテンプレートを用いて、二次電子プロファイル４０１をサーチし、各位置の相関値を算出する。なお、相関値プロファイルは、相関値が最大を示す位置と、二次電子プロファイル４０１のボトム部分が一致するように作成する。

対称性プロファイル５０１について、任意のしきい値５２１以上の信号量の部分をパターンが存在する位置として記憶しておく（Ｓ５００５）。その位置に対応する上記の二次電子プロファイル４０１の任意のしきい値５２２より大きい値のものを上層のパターン位置（重心位置ｘ５１４、ｘ５１５）とする（Ｓ５００６）。同様に任意のしきい値５２２より小さいものを下層のパターン位置（重心位置ｘ５１１、ｘ５１２、ｘ５１３）として認識する（Ｓ５００７）。当該上層のパターンと下層のパターンの認識位置から式（１）を用いて各重心位置の差分をずれ量とする（Ｓ５００８）。
ずれ量＝（ｘ５１１＋ｘ５１２＋ｘ５１３）／３−（ｘ５１４＋ｘ５１５）／２
…式（１）

このように、輝度の高い部分と低い部分を識別し、輝度の高いパターンの重心（第１の測定基準）と輝度の低いパターンの重心（第２の測定基準）との間の寸法を測定することによって、高精度なオーバーレイ誤差測定を実行することが可能となる。

図１６に前記の二次電子プロファイル４０１から得られた別の対称性プロファイル５３０を用いて上層パターンと下層パターンの判別方法を説明する。対称性プロファイル５０１との違いが出る原因としては任意領域５２０の大きさの違いなどによる。対称性プロファイル５３０に対して任意のしきい値５２１以上のピークを上層パターン、しきい値５２１以下を下層パターンとして判定できる。ずれ量は図５と同様にｘ５３１〜ｘ５３５の値を使って式（１）で求めることができる。

なお、上述の例では上層パターンの重心と下層パターンの重心の双方を、対称性プロファイルを用いて求めたが、上層パターンは二次電子プロファイル４０１にエッジを示すピークがきれいに現れているので、例えば上層パターンの重心位置は、上層パターンの２つのエッジのピークの中心とするようにしても良い。但し、下層パターンについては信号量の不足故、相関値に基づく重心位置検出を行った方がよいため、処理工程数の削減の観点から見れば、相関値演算のみで双方の重心を求めることが望ましい。下層レイヤの信号量は上層レイヤと比較すると少ないため、下層レイヤに適した重心位置検出法、或いは異なるレイヤ間において、そのレイヤに適した重心位置検出に基づく測定を行うことは、高精度な測長を実行する上で非常に重要である。

また下層パターンへのビームの到達によって得られる電子に基づいて形成される信号波形は、他の部分と比較して輝度が低く、且つ上層パターンのようにきれいにピークが得られない。よって、重心位置を特定する本手法は、下層パターンを１つの測定基準とするオーバーレイ誤差測定にとって有効なものである。

図６に上層パターンのずれが大きい場合の電子顕微鏡像６０１と作成した二次電子プロファイル６０２、図５と同様の手順で作成した対称性プロファイル６０３を示す。上層のパターン６０４が左にずれているため二次電子プロファイル６０２では上層と下層のパターン信号が分離しにくくなっている。この場合でも前述同様に対称性プロファイル６０３より任意のしきい値６２１以上の信号量の部分をパターンとして認識できる。認識した上層と下層パターンの位置（ｘ６１１〜ｘ６１５）から式（１）を用いてずれ量を算出できる。

対称性プロファイル６０３では下層パターンのエッジ部分に相当するピークがしきい値に接近しており、誤認識する可能性がある。このような課題に対してパターン配置の対称性を利用してずれ量を算出する方法を図８および図１７を用いて説明する。

二次電子プロファイル６０２の左右を入れ替えた反転プロファイル８０２を作成する（Ｓ８００４）。二次電子プロファイル６０２に対して任意のしきい値８１０より大きい部分と反転プロファイル８０２をスキャンして相関値が最大となる位置を上層パターンの重心位置ｘ８２０とする（Ｓ８００５）。なお、相関値は重なっている部分のみ計算する。同様に二次電子プロファイル６０２に対して任意のしきい値８１１より小さい部分と反転プロファイル８０２をスキャンして相関値が最大となる位置を下層パターンの重心位置ｘ８２１とする（Ｓ８００７）。求めたそれぞれの位置からずれ量は式（２）で計算される。
ずれ量＝ｘ８２１−ｘ８２０ …式（２）

以上、パターン自体の対称性およびパターン配置の対称性を用いてずれ量を検出する方法を説明した。本方式はパターン部分において対称な二次電子プロファイルが得られることを前提としている。

次に、以下では電子線の走査による帯電に起因してプロファイルが非対称となった場合、或いはパターン自体が非対称である場合の処理について、図７および図１８を用いて説明する。

図１で説明したように電子線は偏向信号制御部１２０を介して偏向信号制御部１２２から信号を受けた偏向コイル１０９により試料上を二次元的に走査される。この走査方法は二次電子像表示装置１２４の偏向信号と、偏向コイルの偏向信号とは同期しているため、一般的なインターレス走査となる。この場合、走査方向は図７左から右への一方向への走査７０５となるため、パターンエッジの左右で二次電子が発生する量と発生した二次電子が戻る量に違いが発生する。このため左右エッジで帯電が走査線ごと、フレームごとに差が大きくなってしまう。この差はエッジ効果により二次電子が多く発生する上層パターンの左右のエッジ部で顕著となる（左エッジ７１０、右エッジ７１１）。この現象を緩和するため、走査方向７０５とは反対の右から左への走査７０６を実行する。このとき得られる二次電子プロファイル７０２は前述の二次電子プロファイル７０１と左右のエッジの非対称性が反対となる（左エッジ７２０、右エッジ７２１）。

本実施例では、後述のモデル情報を画像処理プロセッサ１２３読込み（Ｓ７００１）、モデル情報の一部であるスキャンモード１情報を偏向信号制御部１２２に設定（Ｓ７００２）して走査方向７０５への走査を実行し、画像１を取得し画像処理プロセッサ１２３に取り込む（Ｓ７００３）。同様に１８０度反対の方向に走査するスキャンモード２を設定（Ｓ７００４）後、走査方向７０６への走査を実行して画像２を画像処理プロセッサ１２３に取り込む（Ｓ７００５）。

プロファイル１は画像１の投影処理によって得られる（Ｓ７００６）。同様にプロファイル２は画像２から得られる（Ｓ７００７）。プロファイル１およびプロファイル２の例を図７の二次電子プロファイル７０１と二次電子プロファイル７０２に示す。二次電子プロファイル７０１では左エッジ７１０より右エッジ７１１の信号強度が高くなっている。二次電子プロファイル７０２では左エッジ７２０より右エッジ７２１の信号強度が低くなっている。次にプロファイル１とプロファイル２から合成プロファイル７０３を作成する。合成は単純に平均してもよいし、信号強度によって重みをつけることもできる。

これにより合成プロファイル７０３の左右のエッジはほぼ同じ高さとなる（左エッジ７３０、右エッジ７３１）。

以下の処理はＳ５００５〜Ｓ５００８と同様の手順で差分を計算することができる。なお、二次電子プロファイル７０１と二次電子プロファイル７０２を得るには走査方向７０５への走査と、走査方向７０６への走査をインターレススキャンの奇数フィールドと偶数フィールドに割り当てることもできる。またラスターローテーションを０度と１８０度に設定したスキャンして得られた２枚の画像を加算平均して求めることもできる。加算方法もスキャンごとのプロファイルや画像ごとに位置合わせを実施した後に加算することも可能である。

パターン露光時の光エネルギーの密度の不均一性などからパターン自体が非対称となる場合がある。このようなパターンではオーバーレイ計測の精度の低下につながる。そこでパターン自体の対称性を評価して処理について図９〜図１２を用いて説明する。図９に非対称なパターンを含むオーバーレイパターンの断面図の例を示す。図２と同様にウェーハ２０１に形成された下層パターン２０２と反射防止膜２０５の上層に形成されたパターンにおいて外側のパターン９０４は内側のパターン９０３に比較して外側の傾斜がなだらかになっている。図１０にこのようなオーバーレイパターンを観察したときの電子顕微鏡像１００１を示す。上層の外側のパターン９０４の外側の傾斜に相当する領域１００３は左エッジに比べて輝度が低くなる。一方、内側のパターン９０３に相当する部分１００４では左右エッジの輝度差がほぼ等しい。

図１１に電子顕微鏡像１００１から求めた二次電子プロファイル１１０１を示す。二次電子プロファイル上でも左右の外側の上層パターンでは、それぞれ外側のエッジ輝度が低く（外側のエッジ輝度１１０２、１１０５）なっており、内側のエッジ輝度はそれぞれ高く（内側のエッジ輝度１１０３、１１０６）となっている。

なお、ここでは下層パターンは対称なパターンとしている。図１５および図１７で説明した手順と同様に対称性プロファイル１２０１を作成する。次に任意のしきい値１２０４以上の信号量の部分をパターンとして認識し、上層のパターンの重心位置（ｘ１２１０）、下層のパターンの重心位置（ｘ１２１１、ｘ１２１２）をそれぞれ決定する。次に下層のパターンのみ重心を求めて、上層パターンの位置との差分を式（３）で求めてずれ量とする。
ずれ量＝ｘ１２１０−（ｘ１２１１＋ｘ１２１２）／２ …式（３）

図１３にオーバーレイパターン計測のパラメータを設定するための画面２０１０を示す。この画面は図１の二次電子像表示装置１２４上に表示される。作業者は図７で説明した二次電子プロファイルの対称性を確認して、スキャンモード２０２０を決定する。非対称なプロファイルである場合には非対称性を軽減するスキャンを選択する。対称選択チェックボックス２０２１を選択した場合は図１７のフローが実行されない。非対称選択チェックボックス２０２２を選択した場合は図１７のフローでプロファイルが作成される。次にパターン情報を使用するかどうかをパターン情報チェックボックス２０１２で選択する。

パターン情報使用しない場合は、図５と図１５、及び図６で説明した手順が実行される。任意のしきい値５２２は、例えば二次電子プロファイル４０１の平均値や中央値のような統計値を用いる。

パターン情報使用する場合は、上層のパターン数入力ボックス２０１５および下層のパターン数入力ボックス２０１４からそれぞれの値を入力する。パターン数は上層のパターンと下層のパターン位置検出（Ｓ５００５）において任意のしきい値５２１またはしきい値５４１、任意のしきい値６２１、任意のしきい値１２０４を決定するのに使用する。例えば任意のしきい値６２１を上下させて入力された上層のパターン数、下層のパターン数と一致するように決定する。さらに作業者は上層のパターン幅入力ボックス２０１７および下層のパターン幅入力ボックス２０１６からそれぞれの値を入力することもできる。これらの値は対称性プロファイルを作成する際に使用する任意領域５２０や任意領域６２０として使用する。入力されていなければ任意の値を使用してもよいし、適当に値を変えて対称性プロファイルのパターン位置におけるピークの先鋭度などで最適化することもできる。なお、上層、下層のパターン数やパターン幅は設計データを元に読み出して使用することもできる。これらのパターン数やパターン幅の情報はモデル情報として登録する。このモデル情報は、上層パターンと下層パターンの重心位置の検出処理が行われる計測対象パターンと同一のウェーハ上のパターンを用いてもよいし、代表となるウェーハで取得したものを計測対象全てのウェーハに繰り返し用いてもよい。対象ウェーハ毎に登録する場合には、パターンの出来映えがモデルと計測対象で同程度であるため、判別がより正確に行える利点があるが、毎回作業者による入力が必要となってしまう。この場合は自動に設定しておいて必要に応じて手動に切り替えることができる。製造工程が安定してモニタリングとして使用する場合にはこの方法で十分である。オフセット２０１１は上層のパターン数と下層のパターン数が同じ場合に既知の設計上のずれを入力してオーバーレイ計測値は０となるようにするために使用する。

以上の説明は上層のパターンと下層のパターンの両方を重心検出してオーバーレイを計測する場合であるが、下層のパターンのみを対称性プロファイルにより算出し、上層のパターンの重心位置は従来の左右のエッジ検出方法を用いて算出し、ずれ量を求めるように組み合わせて使用することもできる。

１０１ 電子源
１０２ 引出電極
１０３ 一次電子線
１０４ 第一コンデンサレンズ
１０５ 絞り
１０６ 第二コンデンサレンズ
１０７ 二次電子検出器
１０８ アライメントコイル
１０９ 偏向コイル
１１０ 対物レンズ
１１１、２０１ ウェーハ
１１２ ステージ
１１３ 試料室
１１４ 二次電子
１１５ 高電圧制御装置
１１６ 第一コンデンサレンズ制御部
１１７ 第二コンデンサレンズ制御部
１１８ 二次電子信号増幅器
１１９ アライメント制御部
１２０、１２２ 偏向信号制御部
１２１ 対物レンズ制御部
１２３ 画像処理プロセッサ
１２４ 二次電子像表示装置
１２５ 全体制御部
１２６ 電子光学系制御装置
１２７ ステージ制御装置
１２８ ユーザーインターフェース
２０２、２０３ 下層パターン
２０４ 上層パターン
２０５ 反射防止膜
３０１、１００１ 電子顕微鏡像
３０２ 基盤であるウェーハ表面からの二次電子信号部分
３０３ 輝度が低く黒く見える部分
３０４ 輝度が高く白く見える部分
４０１ 二次電子プロファイル
４０２ 上層パターンプロファイル
４０３ 下層パターンプロファイル
５０１、１２０１ 対称性プロファイル
ｘ５１１、ｘ５１２、ｘ５１３、ｘ５１４、ｘ５１５ 重心位置
ｘ５３１、ｘ５３２、ｘ５３３、ｘ１２１１、ｘ１２１２ 下層の各パターンの重心位置
ｘ５３４、ｘ５３５ 上層の各パターンの重心位置
５２０ 任意領域
５２１、５２２、６２１、８１０、８１１、１２０４ 任意のしきい値
５３０ 別の対称性プロファイル
６０１ ずれが大きい場合の電子顕微鏡像
６０２、７０１、７０２、１１０１ 二次電子プロファイル
６０３ ずれが大きい場合の対称性プロファイル
７０３ 合成プロファイル
７１０、７２０、７３０ 左エッジ
７１１、７２１、７３１ 右エッジ
８０２ 反転プロファイル
ｘ８２０、ｘ１２１０ 上層パターンの重心位置
ｘ８２１ 下層パターンの重心位置
９０３ 内側のパターン
９０４ 外側のパターン
１００３ 非対称なパターンの傾斜に相当する電子顕微鏡像上の領域
１１０２、１１０５ 外側のエッジ輝度
１１０３、１１０６ 内側のエッジ輝度
１１０４ 内側パターンの右エッジの二次電子プロファイル上の輝度
２０１０ オーバーレイパターン計測のパラメータを設定するための画面
２０１１ オフセット入力ボックス
２０１２ パターン情報チェックボックス
２０１４ 下層のパターン数入力ボックス
２０１５ 上層のパターン数入力ボックス
２０１６ 下層のパターン幅入力ボックス
２０１７ 上層のパターン幅入力ボックス
２０２０ スキャンモード
２０２１ 対称選択チェックボックス
２０２２ 非対称選択チェックボックス

Claims (12)

1. 荷電粒子線装置によって得られた信号波形に基づいて、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において、
   前記演算処理装置は、前記信号波形の部分的な抽出に基づいて得られる部分波形を用いて、前記信号波形との相関を求め、当該相関を示す相関プロファイルを形成し、当該相関プロファイルを用いて異なるレイヤに属するパターン間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。
2. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記部分的に抽出された信号波形を反転して前記部分波形を生成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１において、
   前記演算処理装置は、前記異なるレイヤに属するパターンの重心位置間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。
4. 請求項３において、
   前記演算処理装置は、上層のレイヤと下層のレイヤとの間の重心位置を測定すると共に、少なくとも当該下層のレイヤの重心位置を、前記相関プロファイルを用いて特定することを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
5. 荷電粒子線装置によって得られた信号波形に基づいて、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において、
   当該プログラムは前記コンピューターに、前記信号波形の部分的な抽出に基づいて得られる部分波形と、前記信号波形との相関を求めさせ、当該相関を示す相関プロファイルを形成させ、当該相関プロファイルを用いて異なるレイヤに属するパターン間の寸法を測定させることを特徴とするコンピュータープログラム。
6. 荷電粒子線装置によって得られた信号波形に基づいて、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において、
   前記演算処理装置は、前記信号波形について、所定値以上の輝度を持つ部分と、当該所定値未満の輝度を持つ部分とを識別し、当該所定値以上の輝度を持つ部分から第１の測定基準を抽出すると共に、当該所定値未満の輝度を持つ部分について、前記信号波形の部分的な抽出に基づいて得られる部分波形を用いて、前記信号波形との相関を求め、当該相関演算に基づいて、第２の測定基準を抽出し、当該第１の測定基準と第２の測定基準との間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。
7. 荷電粒子線装置によって得られた信号波形に基づいて、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において、
   前記演算処理装置は、前記信号波形について、所定値以上の輝度を持つ部分と、当該所定値未満の輝度を持つ部分とを識別し、当該所定値以上の輝度を持つ部分から第１の測定基準を抽出すると共に、前記所定値未満の輝度を持つ部分から、パターンの重心位置を抽出し、当該重心位置に基づいて第２の測定基準を抽出し、当該第１の測定基準と第２の測定基準との間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。
8. 荷電粒子線装置によって得られた信号波形に基づいて、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において、
   前記演算処理装置は、前記信号波形について、所定値以上の輝度を持つ部分と、当該所定値未満の輝度を持つ部分とを識別し、当該所定値以上の輝度を持つ部分から第１の測定基準を抽出すると共に、前記所定値未満の輝度を持つ部分の一部を抽出し、当該抽出された信号波形を反転して、部分波形を生成することによって第２の測定基準を抽出し、当該第１の測定基準と第２の測定基準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。
9. 請求項８において、
   前記演算処理装置は、前記部分波形を用いて、前記信号波形をサーチすることによって、前記第２の測定基準、或いは前記第１の測定基準と第２の測定基準の双方を抽出することを特徴とするオーバーレイ誤差測定装置。
10. 荷電粒子線装置によって得られた信号波形に基づいて、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において、
    当該プログラムは前記コンピューターに、前記信号波形について、所定値以上の輝度を持つ部分と、当該所定値未満の輝度を持つ部分とを識別させ、当該所定値以上の輝度を持つ部分から第１の測定基準を抽出させると共に、当該所定値未満の輝度を持つ部分について、前記信号波形の部分的な抽出に基づいて得られる部分波形を用いて、前記信号波形との相関を求めさせ、当該相関演算に基づいて、第２の測定基準を抽出させ、当該第１の測定基準と第２の測定基準との間の寸法を測定させることを特徴とするコンピュータープログラム。
11. 荷電粒子線装置によって得られた信号波形に基づいて、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において、
    当該プログラムは前記コンピューターに、前記信号波形について、所定値以上の輝度を持つ部分と、当該所定値未満の輝度を持つ部分とを識別させ、当該所定値以上の輝度を持つ部分から第１の測定基準を抽出させると共に、当該所定値未満の輝度を持つ部分から、パターンの重心位置を抽出させ、当該重心位置に基づいて第２の測定基準を抽出させ、当該第１の測定基準と第２の測定基準との間の寸法を測定させることを特徴とするコンピュータープログラム。
12. 荷電粒子線装置によって得られた信号波形に基づいて、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において、
    当該プログラムは前記コンピューターに、前記信号波形について、所定値以上の輝度を持つ部分と、当該所定値未満の輝度を持つ部分とを識別させ、当該所定値以上の輝度を持つ部分から第１の測定基準を抽出させると共に、当該所定値未満の輝度を持つ部分の一部を抽出し、当該抽出された信号波形を反転して、部分波形を生成することによって、第２の測定基準を抽出させ、当該第１の測定基準と第２の測定基準との間の寸法を測定させることを特徴とするコンピュータープログラム。