JP6051301B2 - 重ね合わせ計測装置、重ね合わせ計測方法、及び重ね合わせ計測システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスの製造工程における計測技術に係り、特に工程間の重ね合わせのずれ量を計測する重ね合わせ計測技術に関するものである。

半導体装置は、半導体ウェハ上にフォトマスクに形成されたパターンをリソグラフィー処理及びエッチング処理により転写する工程を繰り返すことにより製造される。半導体装置の製造過程において、リソグラフィー処理やエッチング処理その他の良否、異物発生等は、半導体装置の歩留まりに大きく影響を及ぼす。したがって、このような製造過程における異常や不良発生を早期にまたは事前に検知するために、製造過程で半導体ウェハ上のパターンの計測や検査が行われている。

とりわけ、近年の半導体デバイスの微細化と三次元化の進行により、異なる工程間でのパターンの重ね合わせの管理の重要度が高まっている。従来は、専用パターンに光を半導体デバイスに照射して得られる反射光から、各工程に作られたパターンの位置を計測することで、異なる工程間でのパターンの重ね合わせ誤差を求めていた。

しかしながら、半導体の微細化に伴う重ね合わせ尤度の低下により、より高精度の重ね合わせ管理手法が求められている。従来は各ショットに対してショット全体のオフセット量のみを管理していたが、露光機の特性に起因するショット内での重ね合わせずれ量のばらつきも無理できなくなってきている。また、エッチングホールの傾斜など、露光以外の加工プロセスの影響も考慮する必要が生じている。

このような、ニーズに対応するため、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による半導体デバイスの実際のプロセスパターンを用いた重ね合わせ計測手段が提案されている。例えば特許文献１には、異なる層間の重ね合わせ誤差を走査電子顕微鏡を用いて測定する技術について記載されている。

特開２０１１−１４２３２１号公報（米国特許第８１４８６８２号明細書）

走査型電子顕微鏡を用いて、上層と下層のパターン間の重ね合わせ誤差を測定しようとする場合、下層パターンのＳＮ（信号雑音比）が低いケースが多く、従来のように単純なフレーム加算処理では、下層パターンのＳＮを上げて重ね合わせ計測精度を高めるために多数回の加算処理が必要となる。さらにこのように単純加算した画像は上層と下層のそれぞれのパターンに対して最適なコントラストになっていない可能性がある。

上記課題を解決するために、本発明は、荷電粒子線の照射により取得された画像を用いて上層のパターンの位置と下層のパターンの位置との差を計測する重ね合わせ計測装置および重ね合わせ計測方法において、上層のパターンと下層のパターンのそれぞれに最適化したコントラストの画像の一部分を加算することで、上層のパターンに最適された第一の加算画像と下層のパターンに最適化された第二の加算画像を生成し、第一の加算画像を用いて特定した上層のパターンの位置と第二の加算画像を用いて特定した下層のパターンの位置との差を求めることを特徴とする。

本発明により、上層と下層のそれぞれのパターンに対して最適なコントラストに調整した画像で位置計測を行うので、高精度に半導体の異層プロセス間の重ね合わせ計測を行うことができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１、２に示す装置構成を示す概略図。 実施例１、２の計測対象試料の説明図。 実施例１、２の計測対象試料での位置ずれ発生形態の説明図。 実施例１、２の重ね合わせ計測プロセスのフローを示す説明図。 実施例１、２の重ね合わせ計測装置のＧＵＩでのテンプレート登録方法の説明図。 実施例１、２の重ね合わせ計測装置の画像処理機能の説明図。 実施例１の重ね合わせ計測における画像コントラスト最適化方法の説明図。 実施例１、２の重ね合わせ計測装置のＧＵＩでの計測座標登録手順の説明図。 実施例１、２の重ね合わせ計測装置のＧＵＩでの計測ショット登録方法の説明図。 実施例１の重ね合わせ計測装置のＧＵＩでの画像条件設定方法の説明図。 実施例１の重ね合わせ計測での基準位置探索方法の説明図。 実施例１の重ね合わせ計測での上層パターンの加算画像作成方法の説明図。 実施例１の重ね合わせ計測での下層パターンの加算画像作成方法の説明図。 実施例１、２の重ね合わせ計測で作成される結果ファイルの説明図。 実施例２の重ね合わせ計測装置のＧＵＩでの画像条件設定方法の説明図。 実施例２の重ね合わせ計測での基準位置探索方法の説明図。 実施例２の重ね合わせ計測での上層パターンの加算画像作成方法の説明図。 実施例２の重ね合わせ計測での下層パターンの加算画像作成方法の説明図。 実施例２の重ね合わせ計測での重ね合わせずれ量算出方法の説明図。 実施例１、２の重ね合わせ計測装置を用いたシステム構成の説明図。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について詳細に説明する。

以下、荷電粒子線の照射により取得された画像を用いて試料の上層のパターンの位置と下層のパターンの位置との差を計測する重ね合わせ装置の一例として走査型電子顕微鏡を用いた例を説明するが、これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下説明する実施の形態に限定されるものではない。本発明において荷電粒子線装置とは荷電粒子線を用いて試料の画像を撮像する装置を広く含むものとする。荷電粒子線装置の一例として、走査型電子顕微鏡を用いた検査装置、レビュー装置、パターン計測装置が挙げられる。また、汎用の走査型電子顕微鏡や、走査型電子顕微鏡を備えた試料加工装置や試料解析装置にも適用可能である。また、以下で荷電粒子線装置とは、上記の荷電粒子線装置がネットワークで接続されたシステムや上記の荷電粒子線装置の複合装置も含むものとする。

本明細書において、「重ね合わせ計測」とは２層の重ね合わせの位置ずれ誤差の計測に限られず、３層以上の場合のレイヤ相互の位置ずれ計測も広く含むものとする。

本明細書において、「試料」はパターンが形成された半導体ウェハである例を説明するが、これに限られるものではない。

図1は、本実施例の重ね合わせ計測装置の構成図であり、装置本体は電子光学系であるカラム１、ならびに試料室２からなる。カラム１は、電子銃３、コンデンサレンズ４、対物レンズ８、ディフレクタ７、アライナ５、２次電子検出器９、Ｅ×Ｂフィルタ６、反射電子検出器１０を含む。電子銃３によって発生された一次電子線（照射電子）は、コンデンサレンズ４と対物レンズ８によってウェハ１１に対して収束させて照射する。アライナ５は一次電子線が対物レンズ８に入射する位置をアライメントする。一次電子線は、ディフレクタ７によってウェハ１１に対して走査される。ディフレクタ７は、ビーム走査コントローラ１７からの信号に従って一次電子線を前記ウェハ１１に対して走査させる。一次電子線の照射によってウェハ１１から得られる２次電子はＥ×Ｂフィルタ６で２次電子検出器９の方向に向けられ、２次電子検出器９で検出される。また、ウェハ１１からの反射電子は反射電子検出器１０によって検出される。２次電子や反射電子を総称して電子線照射により試料から得られる信号を信号電子と呼ぶこととする。荷電粒子光学系には、これ以外に他のレンズや電極、検出器を含んでもよいし、一部が上記と異なっていてもよく、荷電粒子光学系の構成はこれに限られない。試料室２に設置されるＸＹステージ１３は、ステージコントローラ１８からの信号に従ってカラム１に対してウェハ１１を移動される。ＸＹステージ１３上には、ビーム校正のための標準試料１２が取り付けられている。また、本装置はウェハアライメントのための光学顕微鏡１４を有している。２次電子検出器９および反射電子検出器１０からの信号はアンプ１５ならびにアンプ１６により信号変換され、画像処理ボード１９に送られ画像化される。また、本実施例の重ね合わせ計測装置は制御PC２０により装置全体の動作が制御される。なお、制御ＰＣには、マウスやキーボードなどユーザが指示入力するための入力部と、画面を表示するモニタ等の表示部、ハードディスクやメモリ等の記憶部が含まれている。

荷電粒子線装置には、このほかにも各部分の動作を制御する制御部や、検出器から出力される信号に基づいて画像を生成する画像生成部が含まれている（図示省略）。制御部や画像生成部は、専用の回路基板によってハードウェアとして構成されていてもよいし、荷電粒子線装置に接続されたコンピュータで実行されるソフトウェアによって構成されてもよい。ハードウェアにより構成する場合には、処理を実行する複数の演算器を配線基板上、または半導体チップまたはパッケージ内に集積することにより実現できる。ソフトウェアにより構成する場合には、コンピュータに高速な汎用ＣＰＵを搭載して、所望の演算処理を実行するプログラムを実行することで実現できる。このプログラムが記録された記録媒体により、既存の装置をアップグレードすることも可能である。また、これらの装置や回路、コンピュータ間は有線又は無線のネットワークで接続され、適宜データが送受信される。

以下、図２により本実施例にて重ね合わせ計測を行うシリコンウェハ試料の構造を説明する。図２（ａ）は、該試料を走査型電子顕微鏡で観察したときの画像であり、上層２２は矩形開口部が配列された形状であり、該矩形パターンの穴底に、下層２１の円形パターンの一部が見えている。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図である。下層２１は酸化シリコン２３中にシリコンパターン２４を有した構造であり、上層２２は酸化シリコン膜に矩形ホール２５が形成された構造となっている。図２（ｃ）は、下層２１におけるシリコンパターン２４の配列を示す模式図である。また、図２（ｄ）は、上層２２の矩形ホール２５のパターン配列を示す模式図である。

矩形ホール２５は、後の工程において導電性物質で埋められ、プラグが形成される。図２（ａ）は、上層２１と下層２２の重ね合わせが良好になされている状態であり、各ホール２５の内部にはシリコンパターン２４の一部が見えている。この場合はプラグ形成時に、各プラグがシリコンパターン２５と適切な抵抗値で電気的にコンタクトされる。

図３は、上層２２の下層２１に対する重ね合わせにずれが生じたケースを示している。矩形ホール２６aでは、ホール底面に十分なシリコンパターン２４が存在するため、プラグ形成時に下層との間に適切な電気コンタクトを取ることができる。しかしながら、矩形ホール２６ｂ、２６ｃにおいては、ホール底面のシリコンパターン２４の面積が狭いため、プラグ形成時にシリコンパターン２４とのコンタクト部の抵抗が正常よりも大きくなってしまう。さらに、矩形ホール２６ｄでは、ホール底面にシリコンパターン２４が全く存在しないため、シリコンパターンとの電気的コンタクトを取ることができない。このように、重ね合わせずれが生じた場合には、最終的に製造されるデバイスが正常に動作しない可能性がある。

以下、図４により、本実施例におけるレイヤ間の重ね合わせ計測３１の手順を説明する。まず、重ね合わせ計測の対象のウェハをロードする（ステップ３２）。次に、光学顕微鏡およびＳＥＭによるウェハアライメント点を登録して（ステップ３３）、アライメントを実行する。なお、アライメントとは、登録されたパターンの位置を基準としてウェハの座標系と装置の座標系を対応付ける処理のことである。

その後、繰り返しパターンの加算処理を行うためのテンプレート登録（ステップ３４）、および、ウェハ上における重ね合わせ測定点登録（ステップ３５）を行う。ステップ３４のテンプレートは後述するようにオーバレイ計測対象となるパターンの位置を特定するための基準となる画像である。また、ステップ３５ではオーバレイ計測対象とするパターンを含む画像の取得位置を登録する。オーバレイ計測対象となるパターンを含む画像の中から、登録されたテンプレートとマッチングするパターンを探索し、マッチングした位置の画像を加算する処理を行う。この処理については詳しく後述する。以上のプロセスにより、重ね合わせ計測のためのレシピ作成がなされ、以降のプロセスでは作成されたレシピによる計測を実施する。

レシピを実行すると、最初の測定点へ移動し（ステップ３６）、テンプレート登録時（ステップ３４）に規定した条件にて画像を取得する（ステップ３７）。次に、取得された画像の中の同一パターン部の加算により高ＳＮ画像を作成し、位置ずれ量計算を行う（ステップ３８）。レシピに登録された全点の測定が終了したのかを判断し（ステップ３９）、測定点が残っていれば次の測定点へ移動して画像取得と位置ずれ量計算を実行する。全ての測定点での測定が終了していれば、ウェハアンロードを行う（ステップ４０）とともに、結果出力を実行する（ステップ４１）。以下、個々のプロセスの詳細について図４（ｂ）（ｃ）のフローに沿って各図を用いて説明する。

まず、図５と図６により、図４（ｂ）のフローに沿って、ステップ３４におけるテンプレート登録の詳細手順を説明する。図５のＧＵＩ５１上には、マップ表示エリア５２と画像表示エリア５３が配置されている。マップ表示エリア５２には、ウェハマップ選択ボタン５４とショットマップ選択ボタン５５により、ウェハマップ表示とショットマップ表示を切替え可能である。図６は画像処理ボード１９および制御ＰＣ２０の内部処理を説明する図である。ＧＵＩ制御ユニット７６と情報記憶ユニットは制御ＰＣ２０に配置され、画像記憶ユニット７７と画像処理ユニット７９は画像処理ボード１９に配置されている。なお、図６に示した各機能ブロックは相互に情報線で接続されているものとする。

図５ではショットマップが選択された状態であり、ショットマップ選択ボタン５５がハイライト表示となっている。この状態でショットマップ内をクリックすることにより、ショット内の画像取得位置へステージにより移動する（ステップ３４ａ）。画像表示エリア５３には、光学顕微鏡画像選択ボタン５７とＳＥＭ画像選択ボタン５８により、光学顕微鏡像とＳＥＭ像とを切替えて表示させることができる。表示倍率は表示倍率変更ボタン５９により変更することができる。その他の画像取得条件は、画像条件設定ボタン６０ａにより画像条件設定ウィンドウを立ち上げて行い、ＧＵＩ制御ユニット７６の情報入出力部７６ａを通じて情報記憶ユニット７８のパラメータ記憶部７８ａに画像条件を記憶させる。画像取得ボタン６０ｂをクリックすることにより設定した画像条件で取得された画像は、画像記憶ユニット７７の取得画像記憶部７７ａに記憶され、画像表示部７６ａを通じてＧＵＩに表示される（ステップ３４ｂ）。

テンプレートの登録は、テンプレート登録タブ６１ａを選択した状態で画像表示エリア５３にてパターンを選択することで行う。画像中央付近にてテンプレートとして登録したい基準点６２ａを選択し（ステップ３４ｃ）、次に一周期分ずれた基準点６２ｂを選択する（ステップ３４ｄ）。この状態でピッチ計算ボタン６３を押すと、選択した二点間のピッチがＧＵＩ制御ユニット７６で計算されてピッチ表示部６４に表示されるとともにピッチ情報がパラメータ記憶部７８ａに記憶される（ステップ３４ｅ）。ここで、ピッチとは上下レイヤともに同じパターンが繰り返される周期を意味する。サブピッチ登録部６５には、点６２ａと点６２ｂの間の上層パターンのピッチ数を入力する。すなわち、サブピッチとは上層パターンのみに着目したときに上層パターンの繰返し周期を意味する。ここでは、横方向には矩形開口部が２つ、縦方向には矩形開口部が４つ存在しているので、ＸとＹのサブピッチ数としてそれぞれ２と４を入力する（ステップ３４ｆ）。ピッチ単位で基準点と同じパターンが繰り返されるが、それ以外にも基準点と同じパターンである箇所が存在する場合がある。このような箇所をサブパターンと称し、ユーザがその位置をサブパターン登録部６６にサブピッチ単位で入力する（ステップ３４ｇ）。本実施例では、点６２ａからＸ方向に１ピッチとＹ方向に２ピッチ移動した点６２ｅをサブパターンとして登録する。画像表示エリア５３にて、基準点と同じパターンの位置に×マークがなされていることを確認後、テンプレートサイズ登録エリア６７にテンプレートのサイズをピクセル単位で設定し（ステップ３４ｈ）、テンプレート取得ボタン６８をクリックする（ステップ３４ｉ）。これにより、画像処理ユニット７９のパターンマッチング部７９ａで点６２ａから点６２eの切り出しの画像の同一パターン位置を正確に特定し、加算処理部７９ｂで加算画像を作成する。加算画像はテンプレート中間画像記憶部７７ｂに記憶され、画像表示部７６ｂを通じてテンプレート６９とテンプレート７０がそれぞれＧＵＩに表示される。

テンプレート６９（第一のテンプレート画像）は上層パターンに対して最適なコントラストとなるように、輝度値のオフセットやゲインが調整されたものである。具体的には、ユーザがオフセット調整ボタン７１とゲイン調整ボタン７２を操作することにより、図７に示されるような変換テーブルを調整する（ステップ３４ｊ）。また、テンプレート７０（第二のテンプレート画像）は下層パターンに対して最適なコントラストとなるように、輝度値のオフセットやゲインが調整されたものである。具体的には、ユーザがオフセット調整ボタン７３とゲイン調整ボタン７４により図７に示されるような変換テーブルを調整する（ステップ３４ｋ）。テンプレート６９とテンプレート７０のコントラスト調整は独立して行うことができる。

変換テーブルは画像処理ユニット７９内の明るさ変換部７９ｂに上層パターン用と下層パターン用の２つが保存されており、デフォルトでは図７（ａ）のように１２ビットを８ビットに線形変換するものとなっている。ステップ３４ｊおよびステップ３５ｋにおいてオフセットやゲインが変更されると、変更されたオフセットとゲインに基づいて明るさ変換部７９ｂの変換テーブルが更新され、明るさ変換されたテンプレート画像を再作成される。テンプレート画像は、テンプレート中間画像記憶部７７ｂに保存されるとともに画像表示部７６ｂを通じてＧＵＩに表示される。テンプレート確定ボタン７５を押すことで、テンプレート中間画像記憶部７７ｂに保存されていたテンプレート画像が、情報記憶ユニット７８内のテンプレート画像記憶部７８ｂに保存される（ステップ３４ｌ）。

このように、レシピ作成時に、変換テーブルを更新しながら最適なテーブルを作成する。一方、レシピ動作時は、レシピ開始時にオフセットとゲインのレシピ設定値に基づいて作成される変換テーブルを明るさ変換部７９ｃに保存しておき、レシピ動作中は明るさ変換部７９ｃに保存された変換テーブルを常時使用することができる。

図７（ｂ）はテンプレート６９に対する変換テーブルの説明図であり、入力画像の信号値がＡの点と信号値がＢの点が、保存画像にて信号値０から２５６に均等に割り当てられる。一方、図７（ｃ）はテンプレート７０に対する変換テーブルの説明図であり、入力画像の信号値がＡ’の点と信号値がＢ’の点が、保存画像にて信号値０から２５６に均等に割り当てられる。ここで、図７（ｂ）は上層の明るいパターンを、図７（ｃ）は下層の暗いパターンをそれぞれ強調するような変換テーブルとなっている。

本実施例においては、画像コントラストを変えることで上層および下層パターンに対してコントラストが最適な画像を作成しているが、異なる検出器からの信号を用いることでそれぞれのレイヤに最適な画像を得ることも可能である。例えば、上層パターンはエッジ部が明確に画像化される二次電子検出器（ＳＥ検出器）からの信号を利用し、下層パターンは材質コントラストが得られやすい反射電子検出器（ＢＳＥ検出器）からの信号を利用してもよい。

次に図８により、ショット内での測定座標を登録する手順を説明する。測定点登録タブ６１ｂを選択した後、ショットマップ選択ボタン５５によりマップ表示エリア５２にショットマップを表示させる。この状態で、ショットマップ上をクリックするとクリックした場所の画像が取得される。画像表示エリアにて画像をクリックすると、その場所が重ね合わせ測定位置として登録される。登録された重ね合わせ測定位置としてショットマップ上に×印として対応する位置が表示されるとともに、ショット内座標表示エリア８２に登録座標が表示される。本実施例では、マップ表示エリア５２のショットマップにおいて８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄで示される４つの測定点を登録しており、これらに対応するショット内座標がショット内座標表示エリア８２に表示されている。また、測定ショット表示エリア８３には、初期状態として原点ショット（０，０）のみが選択された状態となっている。

測定ショットを変更する場合は、図９のようにウェハマップ選択ボタン５４によりウェハマップを表示させた状態で、測定を実行したいショットをウェハマップ上で選択する。図９ではショット８５ａとショット８５ｂの２つのショットが選択されているが、選択されているショットは測定ショット表示エリア８３にて確認することができる。

図１０は画像条件設定ボタン６０ａをクリックしたときに表示される画像条件設定ウィンドウ９２を示している。ウィンドウ内には、加速電圧設定エリア９３、プローブ電流設定エリア９４、画像表示エリア５３における横方向の保存画像の画素数を設定するＸ方向の画像サイズ設定エリア９５、画像表示エリア５３における縦方向の保存画像の画素数を設定するＹ方向の画像サイズ設定エリア９６、ならびに画像加算回数設定エリア９７が配置されている。

次に図１１、図１２、図１３により、図４（ｃ）のフローに沿って位置ずれを計測する手順を説明する。ここで、画像サイズは５１２画素から４０９６画素の間において１２８画素単位で設定可能である。テンプレート作成時のように５１２×５１２画素で取得された画像を１６回加算することによりＳＮのよい画像を得るかわりに、重ね合わせずれ計測時は１０２４×１０２４画素で取得された画像を４回加算してもよい。１０２４×１０２４画素で取得された画像は５１２×５１２画素の画像の４倍の視野を持つため、４回加算された１０２４×１０２４画素の画像内の同一パターン部を加算することで、１６回加算した５１２×５１２画素の画像を用いたとき以上にＳＮを上げることが可能である。この場合、ウェハ上の各場所に照射される電子のドーズ量は１／４となるため、ウェハのダメージを大幅に低減することができる。

設定した条件にて画像が取得されると、明るさ変換部７９ｃによって当該一の画像に対して異なる二つのグレーレベル変換処理により、上層と下層とのそれぞれに最適化された画像が生成される。具体的には、明るさ変換部７９ｃによって図７（ｃ）の下層のコントラストを上げる変換テーブルで変換された画像９０（図１１参照）と、図７（ｂ）の上層のコントラストを上げる変換テーブルで変換された画像１００（図１２参照）が画像記憶ユニット７７内の明るさ変換画像記憶部７７ｃ装置のメモリ内に保存される（ステップ３８ａ）。画像９０は下層パターンに最適化されたコントラストに調整されており、上層パターンは輝度が飽和している。一方、画像１００は上層パターンに最適化されたコントラストに調整されており、下層パターンは暗くなりすぎて判別しにくい状態となっている。

はじめに、下層パターンに最適化されたテンプレート７０（第二のテンプレート画像）を用いて、画像９０の中央付近にてテンプレートと同じパターンの位置を探索（マッチング）する。具体的には、画像９０の中央部でパターンピッチ分の範囲でテンプレート７０との正規化相関をパターンマッチング処理部７９ａで計算し、相関値の高い位置を求める（ステップ３８ｂ）。この場合、図１１（ｃ）に示すようにテンプレートを完全に一致している位置９１ｄと９１ｆにてもっとも高い相関値となり、上層のみが一致している位置９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｅ、９１ｇ、９１ｈにて次に高い相関値が得られる。ここで、もっとも高い相関値である位置９１ｄを周期パターン探索の基準点として設定する。なお、ここでは９１ｄと９１ｆは上層下層ともに同じパターンであるため同程度の相関値となっているが、ノイズ等の影響により偶然９１ｄのマッチング率が少しだけ高くなっている例を示している。

次に、パターンマッチング処理部７９ａは、図１２（ａ）の画像１００において画像９０で設定した基準点に相当する位置を基準としてテンプレート６９（第一のテンプレート画像）と同じパターンを有する位置を探索（マッチング）する。より具体的には画像９０で設定した基準点の近傍で、テンプレート６９との正規相関値が最大となる位置をピクセル以下の精度にて決定する。画像１００においてテンプレート６９との相関値が最大となる位置はテンプレート６９と同じパターンを有する位置とみなせるのでこの位置へ基準点１０１を変更する（ステップ３８ｃ）。画像１００およびテンプレート６９では上層パターンのみが明確に見えているため、ＳＮの低い下層パターンに影響されずにテンプレートとのマッチングを行うことができ、その結果ピクセル以下の精度でマッチング位置を求めることができる。

画像１００での基準点が決まったら、基準点１０１に対して、次の位置関係にある点の近傍にて同様にテンプレートとの正規化相関値が最大になる位置を探索する（ステップ３８ｄ）。なお、基準点の画像上のピクセル単位での座標を（Ｔｘ，Ｔｙ）、ピクセル単位でのＸおよびＹ方向のパターン周期をＰｘならびＰｙ、整数Ｍ、整数Ｎとする。
Ｉ： ｛Ｔｘ＋Ｎ・Ｐｘ，Ｔｙ＋Ｎ・Ｐｙ｝
II： ｛Ｔｘ＋(Ｎ＋１／２)・Ｐｘ，Ｔｙ＋（Ｎ＋１／２）・Ｐｙ｝

ここで、Ｉは図５の画像表示エリアにて６２ａを基準点としたときに、６２ａからピッチの整数倍だけ上下左右方向にシフトさせた一連の位置である。また、IIは基準点に対して６２ｅの位置関係にある点から、ピッチの整数倍だけ上下左右方向にシフトさせた一連の位置となる。

相関値が最大となる位置をパターンマッチング処理部７９ａにより複数特定し、特定された位置（第一の部分）から切り出した画像１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・（第一の部分画像）を加算処理部７９ｂで加算して、加算画像１０３（第一の加算画像）を生成する。加算画像１０３は加算画像記憶部に記憶される（ステップ３８ｅ）。位置ずれ計算部７９ｄにおいて加算画像１０３を用いて上層の十字パターンの中心位置１０４を求める（ステップ３８ｆ）。画像１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・および加算画像１０３は上層に最適化されたコントラストの画像なので上層の十字パターンの中心位置１０４を精度良く求めることができる。なお、以下で「パターンの中心位置」とは幾何学的な中心位置以外にも重心位置であってもよい。またそれ以外でも、パターン形状から一意に特定される所定の位置であればよい。

同様に図１３に示すように、画像９０のうち、画像１００での最大相関値となる位置（すなわち画像１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・）に対応する位置（第二の部分）を複数特定する。特定された位置から切り出した画像１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ・・・（第二の部分画像）を加算処理部７９ｂで加算することで下層パターン画像の加算画像１１３（第二の加算画像）を生成する。加算画像１１３は加算画像記憶部に保存される（ステップ３８ｇ）。画像１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ・・・および加算画像１１３では下層パターンがはっきり見えるようにコントラスト調整されているので、加算画像１１３を用いて下層パターンの位置を特定することで高精度に位置計測をすることができる。

ただし、加算画像１１３には上層パターンも含まれているため、そのままでは下層パターンの中心位置を正確に求めることができないことがある。そこで、上層パターンにコントラストが最適化された加算画像１０３から得られる上層パターンの位置の情報を用いて、閾値以上の明るさである上層パターン部分をマスクアウトした画像１１４を作成し（ステップ３８ｈ）、位置ずれ計算部７９ｄは画像１１４を用いて下層パターンの中心位置１１５を求める（ステップ３８ｉ）。ここで、ステップ３８ｈのマスク処理とステップ３９ｉの中心位置計算はともに位置ずれ計算部７９ｄで実行される。本実施例では切り出す画像のサイズはテンプレートと同サイズとしたが、テンプレートと異なるサイズの画像を切り出すように設定することも可能である。重ね合わせずれ量は、ピクセル単位での上層パターンの中心位置１０３（Ｍｘ，Ｍｙ）と下層パターンの中心位置１１５（Ｎｘ，Ｎｙ）と、ピクセルサイズSとから以下の式で算出する（ステップ３８ｊ）。
Ｘ方向のずれ量： （Ｍｘ−Ｎｘ）・Ｓ
Ｙ方向のずれ量： （Ｍｙ−Ｎｙ）・Ｓ

全ての測定点の測定が終了すると、図１４に示す測定結果ファイル１２０を出力する。各測定点の加算画像１０３と加算画像１１３を測定結果ファイルにリンクさせて保存し、重ね合わせ計測が正常に行われていることの検証などの目的に利用することも可能である。

以下、実施例２において、実施例１の変形例を説明する。特記しない限り、実施例２の装置構成、対象試料の構造、計測プロセス、ならびにＧＵＩ構成は実施例１と同じである。

実施例１では、ステップ３８ｂにおいて下層パターンによる基準位置の探索を行っているが、下層パターンのＳＮによっては下層パターンの探索が困難となるケースが発生する。このため、実施例２においては、テンプレート７０に示される下層パターンが必ず含まれるサイズにて画像を切り出して加算処理を行うことで、下層パターンの探索ステップを不要とした。

図１５に示すように、実施例２の画像条件設定ウィンドウ１２１には、ウィンドウ内には、加速電圧設定エリア１２２、プローブ電流設定エリア１２３、Ｘ方向の画像サイズ設定エリア１２４、Ｙ方向の画像サイズ設定エリア１２５、画像加算回数設定エリア１２６、検出器選択エリア１２７、加算画像拡張サイズ設定エリア１２８が配置されている。

実施例２においては、４０９６×４０９６画素の１回加算で得られた画像内において画像内の同一パターン部を加算する。実施例１では１０２４×１０２４画素の画像を４回加算する例を説明したが、本実施例の場合には加算を1回のみとすることでウェハ上の同一領域電子へのドーズ量がさらに少なくなり、ウェハのダメージを大幅に低減することができる。ここで、Ｘ方向のパターンピッチが１００画素、Ｙ方向のパターンピッチが２００画素である場合、加算される繰り返しパターン数は以下のように計算される。
（加算回数）＝（Ｘ方向のピッチ数）×（Ｙ方向のピッチ数）×（ピッチ内のターゲットパターン）

ここで、Ｘ方向のピッチ数＝４０（すなわち４０９６／１００の整数部分）、Ｙ方向のピッチ数＝２０（すなわち４０９６／２００の整数部分）、ピッチ内のターゲットパターン数＝２（すなわち１＋サブパターン数）であるので、加算回数は１６０回となり、加算前の４０９６×４０９６画素の画像に対してＳＮを約１３倍向上させることが出来る。

検出器選択エリア１２７では、上層パターンおよび下層パターンに最適な検出をそれぞれ選択する。実施例２においては、上層パターンには二次電子検出器を、下層パターンに対しては反射電子検出器をそれぞれ選択している。また、実施例２では加算画像拡張サイズ設定エリア１２８に、加算する画像のテンプレートサイズに対する拡張量を、図５のテンプレート７０のパターンが必ず加算画像内に入るように上層パターンのピッチ単位（すなわちサブピッチ単位）で設定する。

以下、加算画像拡張量の決定方法を図１１により説明する。ユーザは図４（ｂ）に示したテンプレート登録フローの中で上層及び下層に形成されているパターンの画像を確認して以下の方法により拡張量を決定することができる。または、上層及び下層に形成されるべきパターンを設計データ等から予め把握することができるので、以下の方法により拡張量を決定することができる。

まず、仮に基準位置として９１ａまたは９１ｇが選択された場合、テンプレート７０のパターンは図１１（ａ）にて上に１サブピッチ移動した位置にあるため、必要な拡張量は上に１サブピッチとなる。同様に、９１ｂまたは９１ｈの場合は右に１サブピッチ、９１ｃまたは９１ｅの場合は上に１サブピッチと右に１サブピッチ分拡張すればよい。９１ｄまたは９１ｆはテンプレート７０と同一の下層パターンであるため拡張は必要ない。これらから、下層のパターンが図１１のような配置となっている場合は、上層パターンのどの位置が基準位置として選択された場合でも、上に１サブピッチかつ右に１サブピッチ拡張した大きさの画像であれば、必ずテンプレート７０のパターンと同一のパターンが画像内に含まれる。

以上をまとめると、試料上で任意に設定された仮想的な基準点の各々から、上層および下層がテンプレートと同じパターンである最近接の位置までの距離をそれぞれ求め、求められた距離のうち最大距離の分だけ、加算する画像の視野範囲が拡張されるので、結果としてこの分だけテンプレートより大きな画像を加算対象とすることになる。なお、上記ではテンプレートの大きさより１サブピッチだけ拡張して加算対象の画像を取得する例を示したが、拡張量は試料のパターンによって異なる。どのようなパターンの試料であっても少なくとも１ピッチ以上の視野範囲を持つように拡張すれば必ずテンプレート７０と同じパターンを含むようにすることができる。

次に図１６、図１７、図１８により実施例２における位置ずれを計測する手順を説明する。設定した条件にて画像が取得されると、二次電子検出器による画像１３０（図１６参照）と、反射電子検出器による画像１４０（図１８参照）が装置のメモリ内に保存される。はじめに、上層パターンに最適化されたテンプレート６９を用いて、画像１３０の中央付近の探索エリア１３１にてテンプレートと同一パターンの位置を探索する。具体的には、画像１３０の中央部でパターンピッチ分の範囲でテンプレート６９との正規化相関を計算により相関値の高い位置を求め、基準点１３２とする。実施例２は、下層パターンのＳＮが不十分であり、元画像において下層パターンを含めてテンプレートと一致する位置を探索するのが困難なケースを想定している。このため、基準点１３２では下層パターンがテンプレート６９と異なっているが、このような場合でもテンプレートと同じ画像が加算画像に含まれるよう加算画像のサイズを十分に大きく設定することで対応することができる。

次に、画像１３０に含まれ基準点１３２に対して次の位置関係にある点の近傍にて、同様にテンプレート６９との正規化相関値最大になる位置を探索する。なお、基準点１３２の画像上のピクセル単位での座標を（Ｓｘ，Ｓｙ）、ピクセル単位でのＸおよびＹ方向のパターン周期をＰｘならびＰｙ、整数Ｍ、整数Ｎとする。
Ｉ：｛Ｓｘ＋Ｎ・Ｐｘ，Ｓｙ＋Ｎ・Ｐｙ｝
II：｛Ｓｘ＋（Ｎ＋１／２)・Ｐｘ，Ｓｙ＋（Ｎ＋１／２）・Ｐｙ｝

ここで、Ｉは図５の画像表示エリアにて６２ａを基準点としたときに、６２ａからピッチの整数倍だけ上下左右方向にシフトさせた一連の位置である。また、IIは基準点に対して６２eの位置関係にある点から、ピッチの整数倍だけ上下左右方向にシフトさせた一連の位置である。これらは、Ｉは点１３４ａのような点であり、IIは点１３４ｂのような点であり、実施例２の画像１３０で×印で示される点がこれらに当たる。

相関値が最大となる位置に対して、加算画像サイズ設定エリア１２８で規定される大きさの画像を切り出して加算処理を行なう。実施例２では、基準点１３２における加算領域１３３のように、正規化相関で求めた位置において、上に１サブピッチ分かつ右に１サブピッチ分だけテンプレートサイズを拡張した画像を切り出している。次に、図１７に示すように、切り出した画像１３５ａ、１３５ｂ、１３５ｃ・・・を加算して、加算画像１３６を作成する。

図１８に示すように、同様に、画像の切り出しと加算処理を下層パターン用の画像１４０に対しても行う。本実施例では下層パターンのＳＮ比が悪いため下層パターン用の画像１４０においても下層パターンが明確に見えていないが、上層パターン用の画像１３０を用いて下層パターン用の画像の切り出し位置を特定するため問題とならない。具体的には、画像１４０内の基準点１４２は、画像１３０の基準点１３２と同じ画像上の座標として設定する。また、点１４３ａと点１４３ｂは、それぞれ点１３４ａと点１３４ｂと同じ座標となる。このため、画像１４０から切り出す画像１４５ａ、１４５ｂ、１４５ｃは、画像１３０からの切り出し時と同じ位置からの切り出しとなる。これらの切り出した画像を加算して加算画像１４６を作成する。加算画像１４６では加算によりＳＮ比が改善され下層パターンが見えるようになっている。

上層パターン画像および下層パターン画像の加算画像作成後、図１９に示す手順にて重ね合わせずれ量を求める。はじめに、下層パターンの加算画像１４６においてテンプレート７０と一致する位置１５１を正規化相関によりもとめ、テンプレート７０と同じ部分の画像１５２を切り出す。また、上層パターンの加算画像１３６からも、切り出した画像１５２に対応する位置から画像を切り出し、テンプレート６９と同じ画像１５３を作成する。次に、画像１５３において上層の十字パターンの中心位置１５４を求める。その後、画像１５２にて閾値以上の明るさである部分の位置をマスクアウトした画像１５５を作成し、下層パターンの中心位置１５６を求める。

重ね合わせずれ量は、ピクセル単位での上層パターンの中心位置１５４（Ｍｘ，Ｍｙ）と下層パターンの中心位置１５６（Ｎｘ，Ｎｙ）と、ピクセルサイズＳとから以下の式で求める。
Ｘ方向のずれ量： （Ｍｘ−Ｎｘ）・Ｓ
Ｙ方向のずれ量： （Ｍｙ−Ｎｙ）・Ｓ

全ての測定点の測定が終了すると、図１４に示す測定結果ファイル１２０を出力する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、図２０に示すように、複数の荷電粒子線装置１６０とネットワークで接続されたコンピュータ１６１にて、上記の処理を行うことができる。荷電粒子線装置１６０で画像取得処理を行い、コンピュータ１６１で画像取得以外の作業を行うことで、効率のより良い重ね合わせ計測システムを構築することが可能となる。

上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、光ディスク等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１：カラム、２：試料室、３：電子銃、４：コンデンサレンズ、５：アライナ、６：Ｅ×Ｂフィルタ、７：ディフレクタ、８：対物レンズ、９：２次電子検出器、１０：反射電子検出器、
１１：ウェハ、１２：標準試料、１３：ＸＹステージ、１４：光学顕微鏡、１５、１６：アンプ、１７：ビーム走査コントローラ、１８：ステージコントローラ、１９：画像処理ボード、２０：制御ＰＣ、
２１：下層、２２：上層、２３：酸化シリコン、２４：シリコンパターン、２５：矩形ホール、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ：矩形ホール、
５１：ＧＵＩ、５２：マップ表示エリア、５３：画像表示エリア、５４：ウェハマップ選択ボタン、５５：ショットマップ選択ボタン、５７：光学顕微鏡画像選択ボタン、５８：ＳＥＭ画像選択ボタン、５９：表示倍率変更ボタン、６０ａ：画像条件設定ボタン、６０ｂ：画像取得ボタン、
６１ａ：テンプレート登録タブ、６１ｂ：測定点登録タブ、６２ａ：基準点、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ：点、６３：ピッチ計算ボタン、６４：ピッチ表示部、６５：サブピッチ数登録部、６６：サブパターン登録部、６７：テンプレートサイズ登録エリア、６８：テンプレート取得ボタン、６９、７０：テンプレート
７１、７３：オフセット調整ボタン、７２、７４：ゲイン調整ボタン、７５：テンプレート確定ボタン、７６：ＧＵＩ制御ユニット、７６ａ：情報入出力部、７６ｂ：画像表示部、７７：画像記憶ユニット、７７ａ：取得画像記憶部、７７ｂ：テンプレート中間画像記憶部、７７ｃ：明るさ変換画像記憶部、７７ｄ：加算画像記憶部、７８：情報記憶ユニット、７８ａ：パラメータ記憶部、７８ｂ：テンプレート画像記憶部、７９：画像処理ユニット、７９ａ：パターンマッチング処理部、７９ｂ：加算処理部、７９ｃ：明るさ変換部、７９ｄ：位置ずれ計算部、
８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ：測定点、８２：ショット内座標表示エリア、８３：測定ショット表示エリア、８４：ウェハ原点、８５ａ、８５ｂ：測定ショット、
９０、１００、１３０：画像、
９１ａ〜９１ｈ：位置、
９２、１２１：画像条件設定ウィンドウ、
９３、１２２：加速電圧設定エリア、
９４、１２３：プローブ電流設定エリア、
９５、１２４：Ｘ方向の画像サイズ設定エリア、
９６、１２５：Ｙ方向の画像サイズ設定エリア、
９７、１２６：画像加算回数設定エリア、
１０１、１１１：基準点、
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ：切り出し画像、
１０３、１１３：加算画像、
１０４、１１４：中心位置、
１２０：測定結果ファイル、１２７：検出器設定エリア、１２８：加算画像拡張サイズ設定エリア、
１３１：探索エリア、１３２、１４２：基準点、１３３、１４３：加算領域、１３４ａ、１３４ｂ、１４４ａ、１４４ｂ：相関最大点、１３５ａ、１３５ｂ、１３５ｃ、１４５ａ、１４５ｂ、１４５ｃ：切り出し画像、１３６、１４６：加算画像、
１５１：相関最大位置、１５２、１５３、１５５：画像、１５４：中心位置、１５６：中心位置、
１６０：荷電粒子線装置、１６１：コンピュータ

Claims (12)

1. 荷電粒子線の照射により取得された画像を用いて試料の上層のパターンの位置と下層のパターンの位置との差を計測する重ね合わせ計測装置において、
   前記上層のパターンに最適化されたコントラストの画像の中から所定のパターンを有する第一の部分を複数特定し、前記下層のパターンに最適化されたコントラストの画像の中から所定のパターンを有する第二の部分を複数特定するパターンマッチング処理部と、
   前記第一の部分および前記第二の部分をそれぞれ第一の部分画像および第二の部分画像として切り出し、複数の前記第一の部分画像および複数の前記第二の部分画像をそれぞれ加算して第一の加算画像および第二の加算画像を生成する加算処理部と、
   前記第一の加算画像を用いて特定した上層のパターンの位置と前記第二の加算画像を用いて特定した下層のパターンの位置との差を求める位置ずれ計算部と、を有することを特徴とする重ね合わせ計測装置。
2. 請求項１に記載の重ね合わせ計測装置において、
   前記位置ずれ計算部は、前記第一の加算画像を用いて特定された上層のパターンの位置の情報を用いて前記第二の加算画像から前記上層のパターンを除いた画像により、前記下層のパターンの位置を特定することを特徴とする重ね合わせ計測装置。
3. 請求項１に記載の重ね合わせ計測装置において、
   前記試料の画像の一に対して異なる二つのグレーレベル変換処理を行うことにより、前記上層のパターンに最適化されたコントラストの画像と前記下層のパターンに最適化されたコントラストの画像を生成する明るさ変換部を有することを特徴とする重ね合わせ計測装置。
4. 請求項１に記載の重ね合わせ計測装置において、
   試料からの信号電子を検出する複数の検出器を有し、
   前記複数の検出器のうち第一の検出器で得られた信号により構成された画像を前記上層に最適化されたコントラストの画像とし、
   前記複数の検出器のうち第二の検出器で得られた信号により構成された画像を前記下層に最適化されたコントラストの画像とすることを特徴とする重ね合わせ計測装置。
5. 請求項１に記載の重ね合わせ計測装置において、
   前記上層のパターンに最適化された第一のテンプレート画像と前記下層のパターンに最適化された第二のテンプレート画像とを記憶する記憶部を有し、
   前記第一の部分画像および前記第二の部分画像の視野サイズは、前記第一のテンプレート画像より大きいことを特徴とする重ね合わせ計測装置。
6. 請求項５に記載の重ね合わせ計測装置において、
   前記第一の部分画像および前記第二の部分画像の視野サイズは、試料上に任意に設定された仮想的な基準点の各々から、上層および下層が前記第二のテンプレート画像と同じパターンである最近接の位置までの距離をそれぞれ求め、前記求められた距離のうち最大距離の分、前記第一のテンプレート画像より大きいことを特徴とする重ね合わせ計測装置。
7. 請求項５に記載の重ね合わせ計測装置において、
   前記第一の部分画像および前記第二の部分画像の視野サイズは、少なくとも前記上層と下層の両方で同じパターンが繰り返される周期間隔以上の範囲を含むことを特徴とする重ね合わせ計測装置。
8. 請求項１に記載の重ね合わせ計測装置において、
   前記上層のパターンに最適化された第一のテンプレート画像を記憶する記憶部を有し、
   前記パターンマッチング処理部は、
   前記第一のテンプレート画像を用いて前記第一の部分を特定することを特徴とする重ね合わせ計測装置。
9. 請求項８に記載の重ね合わせ計測装置において、
   前記パターンマッチング処理部は、
   前記第一のテンプレート画像によって前記上層のパターンに最適化されたコントラストの画像から前記第一の部分を特定し、
   前記下層のパターンに最適化されたコントラストの画像のうち、前記第一の部分に対応する位置を前記第二の部分とすることを特徴とする重ね合わせ計測装置。
10. 請求項９に記載の重ね合わせ計測装置において、
    前記記憶部は、さらに前記下層のパターンに最適化された第二のテンプレート画像を記憶し、
    前記パターンマッチング処理部は、
    前記下層のパターンに最適化されたコントラストの画像から前記第二のテンプレート画像と同じパターンの位置を求め、
    前記第二のテンプレート画像と同じパターンの位置を基準として、前記上層のパターンに最適化されたコントラストの画像から前記第一のテンプレート画像と同じパターンの位置を求め、当該第一のテンプレート画像と同じパターンの位置を前記第一の部分を特定するときの基準とすることを特徴とする重ね合わせ計測装置。
11. 荷電粒子線の照射により取得された画像を用いて上層のパターンの位置と下層のパターンの位置との差を計測する重ね合わせ計測方法において、
    前記上層のパターンに最適化されたコントラストの画像の中から所定のパターンを有する第一の部分画像を複数切り出し、
    前記下層のパターンに最適化されたコントラストの画像の中から所定のパターンを有する第二の部分画像を複数切り出し、
    複数の前記第一の部分画像を加算することで第一の加算画像を生成し、
    複数の前記第二の部分画像を加算することで第二の加算画像を生成し、
    前記第一の加算画像を用いて特定した上層のパターンの位置と前記第二の加算画像を用いて特定した下層のパターンの位置との差を求めることを特徴とする重ね合わせ計測方法。
12. 荷電粒子線の照射により画像を取得する荷電粒子線装置と、前記取得された画像を用いて試料の上層のパターンの位置と下層のパターンの位置との差を計測するコンピュータとがネットワークで接続された重ね合わせ計測システムにおいて、
    前記上層のパターンに最適化されたコントラストの画像の中から所定のパターンを有する第一の部分を複数特定し、前記下層のパターンに最適化されたコントラストの画像の中から所定のパターンを有する第二の部分を複数特定するパターンマッチング処理部と、
    前記第一の部分および前記第二の部分をそれぞれ第一の部分画像および第二の部分画像として切り出し、複数の前記第一の部分画像および複数の前記第二の部分画像をそれぞれ加算して第一の加算画像および第二の加算画像を生成する加算処理部と、
    前記第一の加算画像を用いて特定した上層のパターンの位置と前記第二の加算画像を用いて特定した下層のパターンの位置との差を求める位置ずれ計算部と、を有することを特徴とする重ね合わせ計測システム。

Images