JPH08316132A - パターンの位置測定方法およびそれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高精度に測定することのできるパターンの位
置測定方法およびそれを用いた光学装置を提供すること
にある。 【構成】 パターンが形成されているマスク１の離間し
た位置に配置されているウエハ２に形成されているパタ
ーンの位置測定方法であって、ウエハ２上に形成されて
いるパターンの像の画像信号を処理してパターンの位置
を測定する際、テンプレートの中心位置を重ね合せる実
波形中の位置およびテンプレートの形状に関するパラメ
ータの両方を変化させながら、実波形とテンプレートが
最もよく一致するパラメータの組み合せを求めることに
より、ウエハ２上におけるパターンの位置を検出して測
定するものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置測定方法およびそ
れを用いた光学装置に関し、特に、半導体集積回路装置
の製造工程の一工程である露光工程におけるウエハとマ
スクとの位置合せに適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路装置は、高集積化と微細
加工化が推進されており、それに伴い各パターンも微細
なものが要求されてきている。

【０００３】半導体集積回路装置を製造工程において、
例えば十数層に及ぶ複数層のパターンを互いの位置を正
確に合せた状態で重ね合せる必要がある。異なる層間の
パターンの位置ずれが発生すると、半導体集積回路装置
の信頼性や歩留りを低下させてしまう。

【０００４】そこで、例えばレチクルまたはフォトマス
クなどのマスク（本明細書においてはレチクルまたはフ
ォトマスクなどのパターンが描かれている基板を総称し
てマスクと称する）上に形成された集積回路パターンを
例えば半導体ウエハなどのウエハ上に転写する露光工程
では、既にウエハ上に形成されている集積回路パターン
の位置を測定し、このパターンとマスク上のパターンと
の位置合せを行なった後、露光処理を行なっている。

【０００５】前記位置合せは、マスクを用いる露光方法
のみならず、例えば電子ビームやイオンビームを用いる
直接描画方法のマスクを用いない露光方法においても必
要である。また、ウエハ上に形成されたパターンの位置
測定は、露光装置の位置合せ精度を検査する重ね合せ精
度測定装置においても、二つの異なる層の集積回路パタ
ーンの位置をそれぞれ測定し、それらの相対位置を求め
る方法において同様に行なわれている。

【０００６】本発明者が検討したものとして、ウエハ上
に形成されたパターンの位置測定は、イメージセンサな
どで検知したパターンの光学像を画像信号に変換し、こ
の画像信号を例えば特開昭５３−６９０６３号公報に記
載されている対称性マッチング法や東京大学出版会発行
「画像解析ハンドブック」（１９９１年初版発行）に記
載されているテンプレートマッチング法などのアルゴリ
ズムを使って処理することにより行なうことができる。

【０００７】これらのアルゴリズムは、画像信号ｆ
（ｘ）上の各位置ｘにおいて、ウエハ上の集積回路パタ
ーンの中心らしさを示す評価関数Ｆ（ｘ）を求め、その
極値をとる位置〔ｘ〕を検出して集積回路パターンの中
心位置を求めるものである。この評価関数の計算式にお
いて、前記対称性マッチング法の評価関数の計算式の一
例として、

【０００８】

【数１】

【０００９】で示されるものが知られている。これは、
仮想中心位置ｘの左右の折り返し幅ｗで、仮想中心位置
ｘから等距離ｊにある左右の信号値の差の二乗値を積算
したものであり、集積回路パターンの中心位置で信号が
左右対称となり、前記評価関数Ｆ（ｘ）が最小となると
するものである。

【００１０】また、前記テンプレートマッチング法の評
価関数の計算式の一例として、

【００１１】

【数２】

【００１２】で示されるものが知られている。これは、
テンプレートデータｔ（ｘ）の中心Ｏと画像信号ｆ
（ｘ）の仮想中心ｘとを重ね合せた時、左右の積算範囲
ｗで関数ｆ（ｘ）と関数ｔ（ｘ）との差の二乗和が最小
となるとするものである。

【００１３】画像信号の処理に使用される評価関数の計
算式は、前記したものの他に幾種かの変形が知られてい
るが、いずれも単一のアルゴリズムまたは何らかの判定
条件のもとに選択を行なって使われている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前述したパ
ターンの位置測定方法には、以下に述べるような種々の
問題点があることを本発明者は見い出した。

【００１５】すなわち、半導体集積回路パターンは、ウ
エハ上に例えばフォトレジスト膜または絶縁膜などの薄
膜を繰り返し積み上げて形成されるが、アライメントマ
ークとしての位置合せ用パターンもエッチングなどの処
理によって形成された段差パターン上に薄膜が積まれた
構造となっており、しかも処理の精度に依存した不均一
性を持っている。

【００１６】また、仮に位置合せ用パターンに不均一性
がなくても、位置合せ用パターン上に塗布されるフォト
レジスト膜には回転塗布などの原因により膜厚の不均一
さが発生する。

【００１７】その結果、このような構造をもつパターン
を光学的に検出すると、光波干渉などの影響により、そ
の画像信号が複雑に変化し、誤検出や測定誤差などが発
生する。

【００１８】このような問題に対し、検出波長の広帯域
化や複数の光学系の選択によって変動を軽減させる対策
を行なうことが考えられる。

【００１９】しかしながら、半導体集積回路装置の高集
積化が今後一層進むにつれ、要求される位置合せ精度が
高精度化され、しかもウエハ上の段差も一層高段差化さ
れることにより、前述した画像信号の複雑な変化に対し
て高精度に対応することのできる技術が要請される。

【００２０】このような要請に対し、対称性マッチング
法やテンプレートマッチング法を使用したものでは、評
価関数の局所的な極値による誤検出を低減することが困
難となると共にパターンの非対称性による測定値のシフ
トを低減するためのパラメータ調整が困難となり、しか
も特定のプロセスでは高精度の位置合せが可能であって
も、プロセスが変わったり、プロセスの品質が変化した
りすると、位置合せ精度が低下してしまうという問題が
発生する。

【００２１】本発明の目的は、高精度に測定することの
できるパターンの位置測定方法を提供することにある。

【００２２】本発明の他の目的は、高精度に測定するこ
とのできるパターンの位置測定方法を用いた光学装置を
提供することにある。

【００２３】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明において開示され
る発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、以下
の通りである。

【００２５】本発明のパターンの位置測定方法は、パタ
ーンが形成されているマスクの離間した位置に配置され
ているウエハ上に形成されているパターンとマスク上に
形成されているパターンのウエハ上に転写された像を位
置合せする際に行うウエハ上に形成されているパターン
の位置測定方法であって、ウエハ上に形成されているパ
ターンの像の画像信号を処理してパターンの位置を測定
する際、テンプレートの中心位置を重ね合せる実波形中
の位置およびテンプレートの形状に関するパラメータの
両方を変化させながら、実波形とテンプレートが最もよ
く一致するパラメータの組み合せを求めることにより、
ウエハ上におけるパターンの位置を検出して測定するも
のとする。

【００２６】

【作用】前記した本発明のパターンの位置測定方法によ
れば、ウエハ上に形成されているパターンの像の画像信
号を処理してパターンの位置を測定する際、テンプレー
トの中心位置を重ね合せる実波形中の位置およびテンプ
レートの形状に関するパラメータの両方を変化させなが
ら、実波形とテンプレートが最もよく一致するパラメー
タの組み合せを求めることにより、ウエハ上におけるパ
ターンの位置を検出して測定するものである。

【００２７】したがって、ウエハ上に形成されたパター
ンの像の画像信号を処理してパターンの位置を測定する
際、実波形の仮想中心すなわち実波形上でテンプレート
のデータの中心を置く位置を示すパラメータおよびテン
プレートの形状に関するパラメータを同時に変化させる
ことにより、実波形と最もよく一致するパラメータの組
み合せを求め、その時の実波形の仮想中心をウエハ上に
形成されたパターンの中心位置とするものである。

【００２８】その結果、波形の変化に最もよく一致する
ようにテンプレートの形状を変えながら実波形の仮想中
心を演算していくので、ウエハ上のパターンの像の位置
を波形の変化によらずに高精度に測定することができ
る。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。なお、実施例を説明するための全図におい
て同一機能を有するものは同一の符号を付し、重複説明
は省略する。

【００３０】（実施例１）図１は、本発明の一実施例で
あるパターンの位置測定方法を有する露光装置を示す概
略構成図である。同図を用いて、本発明のパターンの位
置測定方法およびそれを用いた光学装置を具体的に説明
する。

【００３１】図１において、１は例えば半導体集積回路
装置を製造する際の集積回路パターンを有するマスク、
２は例えば半導体集積回路装置を製造するスターティン
グマテリアルである半導体ウエハまたはＳＯＩ（Silico
n on Insulator）ウエハなどのウエハである。

【００３２】３は投影露光系を示し、投影露光系３は、
水銀ランプ４、反射鏡４ａ、集光レンズ５および縮小レ
ンズ６からなり、マスク１上に形成された集積回路パタ
ーンの像をウエハ２上に投影し、ウエハ２上にスピンな
どの回転塗布法により塗布されているフォトレジスト膜
を感光してパターンを転写することができる。

【００３３】２０はマスク位置検出系を示し、マスク位
置検出系２０は、光学部品７、光学部品８、光源９およ
び検知器１０からなり、マスク１の位置を測定すること
ができる。

【００３４】１１はウエハ位置検出系を示し、ウエハ位
置検出系１１は、ミラー１２、ハーフミラー１３、光源
１４および検知器１５からなり、光源１４の照明光をウ
エハ２上に照射してその反射光を検知器１５に導くこと
により、ウエハ２上に形成されているパターンの像を結
像させて画像信号に変換することができる。

【００３５】１６は位置測定演算系を示し、位置測定演
算系１６は、ウエハ位置検出系１１における検知器１５
により画像信号に変換されたパターンの位置を測定する
ことができる。

【００３６】１８は制御系を示し、制御系１８は、ＸＹ
ステージ１７とウエハ位置検出系１１とを制御すること
ができ、ＸＹステージ１７を移動させてウエハ２上の複
数の箇所で例えばアライメントマークを用いた位置合せ
用パターンの位置測定を行ない、マスク１上のパターン
の投影像とウエハ２上のパターンを重ね合せるための座
標演算を行なうことができる。

【００３７】また、制御系１７は、前述した手法により
求めた座標にＸＹステージ１７を移動し、 マスク１上の
パターンの投影像をウエハ２に転写する信号を制御でき
る。

【００３８】図２は、ウエハ２上に形成された例えばア
ライメントマークを用いた位置合せ用パターン２１を示
す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
なお、図２（ｂ）は、エッチング工程で形成された位置
合せ用パターン２１の段差部上にフォトレジスト膜２２
が塗布された状態を示している。

【００３９】図３は、ウエハ位置検出系１１により変換
された位置合せ用パターン２１の画像信号を示す波形図
であり、一点鎖線はパターンの中心を示している。画像
信号は、段差部での散乱、下地部とパターン部との反射
率差および段差部の形状や膜厚の変化による端部の変調
により変形されると共にその波形はプロセスによって大
きく変化する。

【００４０】なお、図４は、図３に示した画像信号から
求めたパターンの中心らしさを示す評価関数を示す図で
あり、単一アルゴリズムを使った場合に発生する誤検出
と測定誤差とを説明している。図４に示すように、パタ
ーンの中心を示す極小値に隣接してレベルの近い極小値
（ローカルミニマム）１９が存在している。また、画像
信号の非対称性に起因して、極小値の位置がパターンの
中心の真の位置からシフトしている。１９ａはシフトし
ている距離を示している。

【００４１】本実施例のパターンの位置測定方法は、前
述した露光装置におけるウエハ２上に形成されたパター
ンの像の画像信号を処理してそのパターンの位置を測定
する際、実波形の仮想中心、すなわち実波形上で後述す
るテンプレートデータの中心を置く位置を示すパラメー
タおよびテンプレートの形状に関するパラメータを同時
に変化させることにより、実波形と最もよく一致するパ
ラメータの組み合せを求め、その時の実波形の仮想中心
をウエハ２上に形成されたパターンの中心位置とするも
のである。

【００４２】図５は、本実施例のパターンの位置測定方
法に使用しているテンプレートを示す図である。図５に
おいて、ｐ１はパターン幅、ｐ２はエッジ部散乱および
ｐ３はパターン部反射強度を示し、ｐ１、ｐ２およびｐ
３は本実施例のテンプレートの形状を規定するパラメー
タである。

【００４３】また、本実施例のパターンの位置測定方法
は、テンプレートマッチングの処理演算中にパターン位
置中心を探索しながらテンプレートの形状も変化させて
いる。

【００４４】同じ工程であっても実際には下地膜の微妙
な変動により図６に３例を示すように、エッジ部の散乱
やパターン部反射強度などが変化するので、本実施例の
ようにテンプレートを変形させれば中心位置を示す極小
値を実波形の形状によらず小さく保つことができローカ
ルミニマムとの逆転がなくなり誤検出を防ぐことができ
る。また、テンプレートの形状をも変化させることで複
数パラメータ最適化演算の収束性が良くなるので、パタ
ーン位置の高精度な検出ができる。

【００４５】実波形の仮想中心とテンプレートの形状の
パラメータを同時に最適化する方法は、次の通りであ
る。

【００４６】テンプレートの波形に対応する関数をＴ
（ｘ，ｐ１，ｐ２，ｐ３）とし、検出した実波形に対応
する関数をＲ（ｘ）とする。

【００４７】また、評価関数Ｅを、

【００４８】

【数３】

【００４９】とする。

【００５０】本実施例のパターンの位置測定方法におい
て、評価関数Ｅが実波形の仮想中心ｃだけでなく、テン
プレートの形状に関するパラメータｐ１、ｐ２、ｐ３の
関数になっているところが従来のテンプレートマッチン
グ法とは異なる。

【００５１】数式４、数式５、数式６および数式７を同
時に満たすようにパラメータであるｃ、ｐ１、ｐ２、ｐ
３を決定すれば、実波形との差が最小となるテンプレー
トの形状と、そのテンプレートを用いたときに求められ
る実波形中の最も中心らしい位置を同時に求めることが
できる。

【００５２】

【数４】

【００５３】

【数５】

【００５４】

【数６】

【００５５】

【数７】

【００５６】なお、前述した計算処理に必要な複数のパ
ラメータによる評価関数の最適化手法としては例えばＣ
Ｑ出版発行「科学計測のための波形データ処理」（南茂
夫著、１９８６年）などに記載されたガウス・ニュート
ン法などを用いることができる。

【００５７】パターンの位置測定を常に高精度に行なう
場合は、図５に示したテンプレートを用いた前述した演
算処理をパターン中心位置検出に対しその都度実施すれ
ばよい。同じ工程、同じロット、同じウエハ内の位置合
せ用パターンからの検出信号であっても、例えばフォト
レジスト膜の膜厚などの下地膜の状態やフォトレジスト
膜の膜厚の微小な変動により検出される実波形は変化す
るので、各波形毎にテンプレートの形状を最適化すれば
毎回高精度にパターン中心位置を検出することができる
ので、パターンの位置測定を高精度に行うことができ
る。

【００５８】高速なパターン中心位置検出を行ないたい
場合には、図５に示したテンプレートを用いた前述した
演算処理をパターン位置検出システムの条件設定時など
の最初の一回だけ行なうことにし、この時求めたテンプ
レートの形状に関するパラメータをそれ以降のパターン
中心位置検出時にそのまま用いることにすればよい。

【００５９】すなわち２回目以降のパターン中心位置検
出は、固定のテンプレートにより求めることとすればよ
い。この場合、２回目以降のパターン位置検出時に決定
すべきパラメータが実波形の仮想中心のみに削減されて
計算量が少なくなることにより、パターン中心位置の検
出時間を短縮することができる。

【００６０】また、テンプレートの形状に関するパラメ
ータも同時に決定するパターン中心位置検出を行なう頻
度をパターン位置検出システムの条件設定時などだけで
なく、各工程の初め、各ロットの初めまたは各ウエハの
初めとすることにより、同一工程内でも緩やかに変化す
る実波形の形状にきめ細かく対応することができる。こ
のようなパターン中心位置検出を行う頻度をうまく設定
することにより、パターン中心位置検出の精度を低下さ
せることなく検出時間を短縮することができる。

【００６１】前述した本実施例のパターンの位置測定方
法において、ウエハ２上に形成されているパターンの像
の画像信号を処理してパターンの位置を測定する際、テ
ンプレートの中心位置を重ね合せる実波形中の位置、テ
ンプレートの形状に関するパラメータの両方を変化させ
ながら、実波形とテンプレートが最もよく一致するパラ
メータの組み合せを求めることにより、ウエハ２上にお
けるパターンの位置を検出して測定するものである。

【００６２】したがって、ウエハ２上に形成されたパタ
ーンの像の画像信号を処理してパターンの位置を測定す
る際、実波形の仮想中心すなわち実波形上でテンプレー
トのデータの中心を置く位置を示すパラメータおよびテ
ンプレートの形状に関するパラメータを同時に変化させ
ることにより、実波形と最もよく一致するパラメータの
組み合せを求め、その時の実波形の仮想中心をウエハ２
上に形成されたパターンの中心位置とするものである。

【００６３】その結果、波形の変化に最もよく一致する
ようにテンプレートの形状を変えながら実波形の仮想中
心を演算していくので、ウエハ２上のパターンの像の位
置を波形の変化によらずに高精度に測定することができ
る。

【００６４】従来法であるテンプレートマッチング法に
おいては、適切に選択されたテンプレートを用いれば、
比較的マクロな特徴がとらえられるため、パターンの中
心位置に相当する評価関数の極値を鋭く保つことがで
き、検出のばらつきを少なくすることができる。しか
し、テンプレートを固定したままでは波形の変化によっ
てパターンの中心を示す評価関数の極値の鮮鋭度が低下
し、測定値のばらつきが大きくなるという問題点があ
る。

【００６５】それに対し本実施例のパターンの位置測定
方法によれば、波形の変化に対応してテンプレートの形
状を変えていくので、パラメータ最適化演算の収束性を
維持し、測定値のばらつきを小さく保つことができる。

【００６６】また、本実施例のパターンの位置測定方法
において、テンプレートとして左右非対称な形状も表現
できるように形状に関するパラメータを左右独立にした
テンプレートを用いているものである。

【００６７】その結果、テンプレートの形状を左右独立
に最適化しながら実波形の仮想中心を求めていくことが
できることにより、非対称な形状をした波形からでもウ
エハ２上のパターンの位置を高精度に測定することがで
きる。

【００６８】従来法である対称性マッチング法は、波形
の形状が大きく変化してもパターンの中心に対する対称
性が維持されていれば、パターンの中心に相当する極値
は鮮鋭に現れ、高精度に測定することが可能であるが、
波形の変化の非対称性が強くなると、周辺の極値とパタ
ーンの中心の極値のレベルが近くなるため、誤検出が発
生しやすくなるという問題点がある。また誤検出はなく
とも、パターンの中心に相当する極値がシフトし、その
結果、測定値にもシフトが生ずるという問題点がある。

【００６９】それに対し本実施例のパターンの位置測定
方法によれば、非対称な波形に対しても一致度を維持す
るようにテンプレートの形状を左右独立に変えていくこ
とができることにより、極値のレベルを小さく維持で
き、しかもシフトも防ぐことができる。

【００７０】さらに、本実施例のパターンの位置測定方
法において、実波形の仮想中心およびテンプレートの形
状に関するパラメータを同時に決定する演算処理をウエ
ハ２上に形成された位置合せ用パターンの位置検出のた
びに行なうことはせず、テンプレートの形状に関するパ
ラメータにはそれより以前に求めた結果を代入して用
い、実波形の仮想中心のみをパラメータとしてその最適
化を行なうことができる。

【００７１】その結果、ウエハ２上のパターン位置の最
初の検出時などに求めたテンプレートの形状に関するパ
ラメータを以降固定し、実波形の仮想中心のみをパラメ
ータとしてその最適化演算を行なうことができることに
より、精度を保ったままウエハ２上のパターンの位置検
出に要する時間を短縮することができる。

【００７２】さらに、本実施例のパターンの位置測定方
法を用いた露光装置などの光学装置において、前述した
パターンの位置測定を高精度に行うことができることに
より、マスク１に形成されているパターンとウエハ２に
形成されているパターンとの位置合せを高精度に行うこ
とができる。

【００７３】その結果、半導体集積回路装置の製造工程
における露光工程などにおいて、マスク１に形成されて
いるパターンとウエハ２に形成されているパターンとの
位置合せを高精度に行うことができることにより、高い
製造歩留りをもって微細加工および高集積度の半導体集
積回路装置を製造することができる。

【００７４】（実施例２）図７は、本発明の他の実施例
であるパターンの位置測定方法に用いるテンプレートを
示す図である。

【００７５】前述した実施例１において、図２に示すよ
うに、位置合せ用パターン２１上のフォトレジスト膜２
２の形状において、フォトレジスト膜２２の塗布にはス
ピンなどによる回転塗布法を用いており位置合せ用パタ
ーン２１に対してある一方向からフォトレジスト膜２２
を形成するフォトレジストが流れてくるので、図８に一
例を示すように実際には位置合せ用パターン２１の左右
でフォトレジスト膜２２の形状が異なることが多い。

【００７６】このような位置合せ用パターン２１の像の
画像信号から求めた波形は図９に例示するように、左右
非対称な形状となる。

【００７７】したがって、これらの実波形に対応するた
めに、図７に一例を示すテンプレートを用いる。図７に
おいて、ｐ１ｒは右側パターン幅、ｐ１ｓは左側パター
ン幅、ｐ２ｒは右側エッジ部散乱、ｐ２ｓは左側エッジ
部散乱およびｐ３はパターン部反射強度を示し、ｐ１
ｒ、ｐ１ｓ、ｐ２ｒ、ｐ２ｓおよびｐ３は本実施例のテ
ンプレートの形状を規定するパラメータである。

【００７８】図７に示すテンプレートの形状に関するパ
ラメータと実波形の仮想中心を同時に上記方法により最
適化すれば、テンプレートが非対称な実波形に最もよく
重なり合うように変形しながらパターン位置中心を探索
していくため、左右対称なテンプレートを用いる場合に
生じる検出結果の真の位置からのシフトなどを抑制でき
ることにより、高精度なパターン位置検出ができる。

【００７９】パターンの位置測定を常に高精度に行なう
場合は、図７に示したテンプレートを用いた前述した演
算処理をパターン中心位置検出に対しその都度実施すれ
ばよい。同じ工程、同じロット、同じウエハ内の位置合
せ用パターンからの検出信号であっても、例えばフォト
レジスト膜の膜厚などの下地膜の状態やフォトレジスト
膜の膜厚の微小な変動により検出される実波形は変化す
るので、各波形毎にテンプレートの形状を最適化すれば
毎回高精度にパターン中心位置を検出することができる
ので、パターンの位置測定を高精度に行うことができ
る。

【００８０】また、本実施例のテンプレートのように、
テンプレートの形状に関するパラメータを増やすことに
よっても、パターン中心位置の検出を高精度化すること
ができる。テンプレートのパラメータ数を増やすほど実
波形の変化に柔軟に対応でき、一致度を上げることがで
きる。

【００８１】（実施例３）図１０は、本発明の他の実施
例であるパターンの位置測定方法を有する重ね合せ精度
測定装置を示す概略構成図である。

【００８２】本実施例のパターンの位置測定方法を有す
る重ね合せ精度測定装置は、ウエハ上の二つの層のパタ
ーン位置をそれぞれ測定し、この二層間のパターン位置
の相対誤差を測定する装置であって、例えば前述した実
施例１の露光装置の重ね合せ精度の品質検査に使用する
ことができる。

【００８３】図１０において、光源２３の照明光は、コ
ンデンサレンズ２４、ハーフミラー２５、対物レンズ２
６を介してウエハ２に照射される。

【００８４】ウエハ２の表面で反射した反射光は、対物
レンズ２６およびリレーレンズ２７により拡大されて検
知器２８に導かれ、ウエハ２上に形成されたパターンの
像が画像信号に変換される。

【００８５】この画像信号は画像処理部２９で処理さ
れ、二層間のパターン位置の相対誤差が算出される。制
御部３０は、ＸＹステージ３１を移動させ、ウエハ２上
の複数の箇所で二層間のパターン位置の相対誤差が測定
される。このように測定されたパターン位置の相対誤差
の分布は統計処理され、例えば縮小投影露光装置により
転写されるパターンの縮小誤差などの誤差要因に変換さ
れ、装置の精度管理に使用される。

【００８６】図１１は、ウエハ２上に形成された重ね合
せ精度測定用パターンの一例を示す図であり、（ａ）は
平面図、（ｂ）は断面図である。

【００８７】既にウエハ２上に形成された基準層パター
ン３２の中心Ｃａと、新たに転写した合せ層パターンの
中心Ｃｂとをそれぞれ測定し、相対誤差を△ｘ＝Ｃｂ−
Ｃａとして算出する。

【００８８】図１１（ｃ）は、測定された前述のパター
ンの画像信号の一例を示す図であり、実線枠で示す基準
層パターン３２の画像信号と破線枠で示す合せ層パター
ン３３の画像信号のそれぞれについてパターンの中心ら
しさを示す評価関数を求め、その極値を検出して各パタ
ーンの中心を測定する。

【００８９】上記評価関数を求める工程において、前述
した実施例１および実施例２で説明した方法が適用可能
なことは明らかである。

【００９０】以上発明を実施例に基づき具体的に説明し
たが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは
言うまでもない。

【００９１】例えば、電子ビームなどを使った直接描画
装置およびパターン同志の重ね合せ精度を測定する装置
などの種々の光学装置に適用することができる。

【００９２】

【発明の効果】本願によって開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下の通りである。

【００９３】（１）本発明のパターンの位置測定方法に
おいて、ウエハ上に形成されているパターンの像の画像
信号を処理してパターンの位置を測定する際、テンプレ
ートの中心位置を重ね合せる実波形中の位置、テンプレ
ートの形状に関するパラメータの両方を変化させなが
ら、実波形とテンプレートが最もよく一致するパラメー
タの組み合せを求めることにより、ウエハ上におけるパ
ターンの位置を検出して測定するものである。

【００９４】したがって、ウエハ上に形成されたパター
ンの像の画像信号を処理してパターンの位置を測定する
際、実波形の仮想中心すなわち実波形上でテンプレート
のデータの中心を置く位置を示すパラメータおよびテン
プレートの形状に関するパラメータを同時に変化させる
ことにより、実波形と最もよく一致するパラメータの組
み合せを求め、その時の実波形の仮想中心をウエハ上に
形成されたパターンの中心位置とするものである。

【００９５】その結果、波形の変化に最もよく一致する
ようにテンプレートの形状を変えながら実波形の仮想中
心を演算していくので、ウエハ上のパターンの像の位置
を波形の変化によらずに高精度に測定することができ
る。

【００９６】従来法であるテンプレートマッチング法に
おいては、適切に選択されたテンプレートを用いれば、
比較的マクロな特徴がとらえられるため、パターンの中
心位置に相当する評価関数の極値を鋭く保つことがで
き、検出のばらつきを少なくすることができる。しか
し、テンプレートを固定したままでは波形の変化によっ
てパターンの中心を示す評価関数の極値の鮮鋭度が低下
し、測定値のばらつきが大きくなるという問題点があ
る。

【００９７】それに対し本発明のパターンの位置測定方
法によれば、波形の変化に対応してテンプレートの形状
を変えていくので、パラメータ最適化演算の収束性を維
持し、測定値のばらつきを小さく保つことができる。

【００９８】（２）本発明のパターンの位置測定方法に
おいて、テンプレートとして左右非対称な形状も表現で
きるように形状に関するパラメータを左右独立にしたテ
ンプレートを用いているものである。

【００９９】その結果、テンプレートの形状を左右独立
に最適化しながら実波形の仮想中心を求めていくことが
できることにより、非対称な形状をした波形からでもウ
エハ上のパターンの位置を高精度に測定することができ
る。

【０１００】従来法である対称性マッチング法は、波形
の形状が大きく変化してもパターンの中心に対する対称
性が維持されていれば、パターンの中心に相当する極値
は鮮鋭に現れ、高精度に測定することが可能であるが、
波形の変化の非対称性が強くなると、周辺の極値とパタ
ーンの中心の極値のレベルが近くなるため、誤検出が発
生しやすくなるという問題点がある。また誤検出はなく
とも、パターンの中心に相当する極値がシフトし、その
結果、測定値にもシフトが生ずるという問題点がある。

【０１０１】それに対し本発明のパターンの位置測定方
法によれば、非対称な波形に対しても一致度を維持する
ようにテンプレートの形状を左右独立に変えていくこと
ができることにより、極値のレベルを小さく維持でき、
しかもシフトも防ぐことができる。

【０１０２】（３）本発明のパターンの位置測定方法に
おいて、実波形の仮想中心およびテンプレートの形状に
関するパラメータを同時に決定する演算処理をウエハ上
に形成された位置合せ用パターンの位置検出のたびに行
なうことはせず、テンプレートの形状に関するパラメー
タにはそれより以前に求めた結果を代入して用い、実波
形の仮想中心のみをパラメータとしてその最適化を行な
うことができる。

【０１０３】その結果、ウエハ上のパターン位置の最初
の検出時などに求めたテンプレートの形状に関するパラ
メータを以降固定し、実波形の仮想中心のみをパラメー
タとしてその最適化演算を行なうことができることによ
り、精度を保ったままウエハ上のパターンの位置検出に
要する時間を短縮することができる。

【０１０４】（４）本発明のパターンの位置測定方法を
用いた露光装置などの光学装置において、前述したパタ
ーンの位置測定を高精度に行うことができることによ
り、マスクに形成されているパターンとウエハに形成さ
れているパターンとの位置合せを高精度に行うことがで
きる。

【０１０５】その結果、半導体集積回路装置の製造工程
における露光工程などにおいて、マスクに形成されてい
るパターンとウエハに形成されているパターンとの位置
合せを高精度に行うことができることにより、高い製造
歩留りをもって微細加工および高集積度の半導体集積回
路装置を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるパターンの位置測定方
法を有する露光装置を示す概略構成図である。

【図２】ウエハ上に形成された位置合せ用パターンを示
す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

【図３】ウエハ位置検出系により変換された位置合せ用
パターンの画像信号を示す波形図である。

【図４】図３に示した画像信号から求めたパターンの中
心らしさを示す評価関数を示す図である。

【図５】本発明の一実施例のパターンの位置測定方法に
使用しているテンプレートを示す図である。

【図６】ウエハ上の位置合せ用パターンの像の画像信号
から求めた検出波形を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は
それぞれの検出波形の例を示す図である。

【図７】本発明の他の実施例のパターンの位置測定方法
に使用しているテンプレートを示す図である。

【図８】フォトレジスト膜の塗布むらの発生を説明する
断面図である。

【図９】図８に示すウエハ上の位置合せ用パターンの像
の画像信号から求めた検出波形を示す図である。（ａ）
および（ｂ）は検出波形の例を示す図である。

【図１０】本発明の他の実施例であるパターンの位置測
定方法を有する重ね合せ精度測定装置を示す概略構成図
である。

【図１１】ウエハ上に形成された重ね合せ精度測定用パ
ターンを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面
図、（ｃ）は画像信号を示す図である。

【符号の説明】

１ マスク ２ ウエハ ３ 投影露光系 ４ 水銀ランプ ４ａ 反射鏡 ５ 集光レンズ ６ 縮小レンズ ７ 光学部品 ８ 光学部品 ９ 光源 １０ 検知器 １１ ウエハ位置検出系 １２ ミラー １３ ハーフミラー １４ 光源 １５ 検知器 １６ 位置測定演算系 １７ ＸＹステージ １８ 制御系 １９ 極小値 １９ａ シフトしている距離 ２０ マスク位置検出系 ２１ 位置合せ用パターン ２２ フォトレジスト膜 ２３ 光源 ２４ コンデンサレンズ ２５ ハーフミラー ２６ 対物レンズ ２７ リレーレンズ ２８ 検知器 ２９ 画像処理部 ３０ 制御部 ３１ ＸＹステージ ３２ 基準層パターン ３３ 合せ層パターン

フロントページの続き (72)発明者 黒岩 慶造 東京都小平市上水本町５丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 國吉 伸治 東京都小平市上水本町５丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 前島 央 東京都小平市上水本町５丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パターンが形成されているマスクの離間
   した位置に配置されているウエハ上に形成されているパ
   ターンと前記マスク上に形成されているパターンの前記
   ウエハ上に転写された像を位置合せする際に行う前記ウ
   エハ上に形成されているパターンの位置測定方法であっ
   て、前記ウエハ上に形成されているパターンの像の画像
   信号を処理してパターンの位置を測定する際、テンプレ
   ートの中心位置を重ね合せる実波形中の位置およびテン
   プレートの形状に関するパラメータの両方を変化させな
   がら、実波形とテンプレートが最もよく一致する前記パ
   ラメータの組み合せを求めることにより、前記ウエハ上
   における前記パターンの位置を検出して測定することを
   特徴とするパターンの位置測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のパターンの位置測定方法
   において、前記テンプレートの形状は、左右非対称な形
   状を有するものであることを特徴とするパターンの位置
   測定方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のパターンの位置
   測定方法において、実波形とテンプレートが最もよく一
   致する前記パラメータの組み合せを求めることにより決
   定したテンプレートの形状に関するパラメータをそれ以
   降の前記パターンの位置検出演算時に利用することを特
   徴とするパターンの位置測定方法。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３記載のパターンの
   位置測定方法を光学装置に用いていることを特徴とする
   光学装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の光学装置において、光学
   装置は、マスク上に形成されたパターンの像をウエハ上
   に投影する投影露光系と、光源の照明光を前記ウエハ上
   に照射してその反射光を検知することにより、前記ウエ
   ハ上に形成されたパターンの像を画像信号に変換するウ
   エハ位置検出系と、前記画像信号を処理することによ
   り、前記ウエハ上における前記パターンの位置を測定す
   る位置測定演算系とを有する露光装置であることを特徴
   とする光学装置。