KR101849962B1

KR101849962B1 - 오버레이 계측 방법, 장치, 및 표시 장치

Info

Publication number: KR101849962B1
Application number: KR1020167034543A
Authority: KR
Inventors: 유지 다카기; 후미히코 후쿠나가; 야스노리 고토
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2018-04-19
Also published as: CN106574832B; JP2016058637A; US20170322021A1; KR20170008254A; WO2016039041A1; US10094658B2; CN106574832A

Abstract

SEM으로 촬상해서 얻은 기준 화상과 계측 화상을 비교해서, 반도체 패턴의 상하층에 형성된 패턴의 오버레이를 계측할 경우, 상층의 패턴의 SEM 화상의 콘트라스트에 대하여, 하층의 패턴의 SEM 화상의 콘트라스트가 상대적으로 낮아, 계측 결과에 의거해서 기준 화상과 계측 화상을 중첩해도 위치 맞춤 상태의 확인이 곤란하다는 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, SEM으로 촬상해서 얻어진 기준 화상과 계측 화상으로부터, 오버레이 계측 대상의 패턴의 위치 어긋남량을 구하고, 기준 화상과 계측 화상을 미분(微分) 처리하고, 미분 처리한 기준 화상과 계측 화상을 앞서 구한 위치 어긋남량에 의거해서 위치 맞춤을 행하고, 위치 맞춤을 행한 미분 기준 화상과 미분 계측 화상과의 농담값을, 각 화상에서 서로 다른 색의 명도로 해서 채색해서 중첩하고, 구한 위치 어긋남량과 함께 표시하도록 했다.

Description

오버레이 계측 방법, 장치, 및 표시 장치{OVERLAY MEASUREMENT METHOD, DEVICE AND DISPLAY DEVICE}

본 발명은 반도체 웨이퍼의 제조 중에 있어서, 서로 다른 제조 공정에서 작성된 패턴 간의 맞춤 어긋남(오버레이)을 계측하는 방법과, 그 장치, 및 표시 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하전 입자 현미경을 이용해서 촬상한 화상을 이용해서 오버레이를 계측하는 방법과 그 장치, 및 표시 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스 제품에서는, 동작에 필요한 회로 패턴을 형성하기 위하여, 복수 회의 노광 공정이 필요해진다. 예를 들면, 복수 층의 회로 패턴으로 이루어지는 디바이스의 제조에서는, 각 층의 회로 패턴을 형성하기 위한 노광 공정 외에, 각 층을 접속하는 홀을 형성하기 위한 노광 공정이 필요해진다. 이 복수 회의 노광 공정에 의해 형성되는 회로 패턴의 위치는, 허용 범위 내에 들어갈 필요가 있고, 허용 범위를 일탈했을 경우, 적절한 전기 특성을 얻을 수 없어, 수율이 저하한다. 그 때문에, 노광 동안의 회로 패턴의 맞춤 어긋남(오버레이)을 계측하고, 노광 장치에 피드백하는 것이 행해지고 있다.

반도체 프로세스의 미세화에 수반하여, 오버레이의 허용 범위도 작아져 있고, 제품 회로 패턴이 형성되는 장소에 있어서의 오버레이를 직접 계측하는 것이 중요하게 되어 있다. 이것을 실현하기 위하여, 주사형 전자현미경(Scanning Electron Microscope : SEM)을 이용해서 제품 회로 패턴의 화상을 촬상(撮像)하고, 오버레이를 계측하는 방법이 일본 특개2013-168595호 공보(특허문헌 1)에 기재되어 있다.

특허문헌 1에 기재된 오버레이 계측 방법은, 기준 화상과 피계측 화상의 화상 위치 맞춤에 의해 오버레이를 계측하는 것이며, 계측 결과의 표시를, 기준 화상과 피계측 화상의 차이부 검출 결과로서 표시하는 방법이, 특허문헌 1의 도 30에 기재되어 있다.

일본 특표2005-521254호 공보(특허문헌 2)에는, 기준 화상과 검사 화상을 채색하고, 그 상위(相違)를 현재화(顯在化)하는 방법이 기재되어 있다. 구체적으로는, 기준 화상과 검사 화상의 화상 비교의 검사 방법이며, 채색된 참조 화상의 골격 화상과, 채색된 참조 화상의 에지 골격화 화상, 및 채색된 검사 화상의 검사 오브젝트를, 화상 결합하여 검사 결함 화상을 얻는 방법이 기재되어 있다.

일본 특개2013-168595호 공보 일본 특표2005-521254호 공보

특허문헌 1에는, 반도체 디바이스의 제품 회로 패턴에 따른 오버레이 계측을, 기준 화상과 계측 화상에서 오버레이의 계측 대상으로 되는 각 패턴의 화상 위치 맞춤을 행함으로써 실시하는 것이 기재되어 있다. 기준 화상과 계측 화상의 비교는 제품 회로 패턴을 대상으로 한 오버레이 계측에서는 실용적인 방법이지만, 화상 위치 맞춤을 위한 화상 처리 파라미터의 조정이나, 계측 결과의 확인을 위하여, 화상 위치 맞춤 상태를 눈으로 보고 확인하는 것이 필요해진다.

오버레이 계측의 대상 공정이 구멍 공정일 경우, 즉 상층에 형성된 구멍과, 이 구멍으로부터 관찰되는 구멍 바닥의 하층에 형성된 패턴의 위치 어긋남일 경우, 구멍 바닥으로부터 관찰되는 하층에 형성된 패턴을 SEM으로 촬상해서 얻어지는 화상의 콘트라스트는, 상층에 형성된 구멍 패턴의 SEM 화상의 콘트라스트와 비교해서 상대적으로 작고, 주사형 전자현미경으로 촬상한 구멍 공정의 기준 화상과 계측 화상을 그대로 중첩했을 경우, 구멍 바닥 패턴의 위치 맞춤의 상태는 눈으로 보고 확인하는 것이 어렵다.

특허문헌 1에는, 기준 화상과 계측 화상의 위치 맞춤 결과의 표시 방법으로서, 기준 화상과 계측 화상의 차이부 검출 결과를 표시하는 것이 기재되어 있다. 차이부의 검출 방법으로서, 기준 화상과 피계측 화상을 위치 맞춤한 후에 농담값의 차를 산출하여, 차의 값이 일정값 이상으로 되는 화소로 이루어지는 영역을 차이부로 하는 방법이 기재되어 있다.

도 1 및 도 2에, 구멍 형성 공정에서 반도체의 회로 패턴 상에 형성한 구멍 패턴을 SEM으로 촬상해서 얻은 화상의 모식도를 나타낸다. 이 모식도에 있어서는, 표면층(101)에 형성한 구멍 패턴(102)의 구멍 바닥에 하층의 패턴(103)이 보이는 모습을 나타내고 있다. 도 1은 구멍 패턴(102)과 하층의 패턴(도 1 및 도 2의 예에서는, 패드)(103)의 오버레이에 어긋남이 없는 상태의 모식도이며, 기준 화상으로 되는 것이다. 도 2는 구멍 패턴(102)과 구멍 바닥의 하층의 패턴(103)의 오버레이에 어긋남이 있는 상태의 계측 화상이다. 구멍 패턴(102)의 구멍 바닥에 보이는 하층의 패턴(103)이 형성되어 있는 층의 하지(下地)(201)가 보다 어둡게 관찰되는 것을 나타내고 있다. 주사형 전자현미경 화상에서는, 구멍 패턴(102)의 구멍 바닥의 하층에 형성된 패턴으로부터 검출되는 전자는 표면의 상층(101)으로부터 검출되는 전자에 비해 적어지기 때문에, 구멍 바닥의 하층의 패턴(103)은 어두워진다.

도 3과 도 4는, 도 1의 기준 화상과 도 2의 계측 화상을 중첩하여, 선화(線畵)로 한 것이다. 도 3과 도 4의 파선은, 도 1의 기준 화상에 있어서의 구멍 패턴(102) 및 구멍 바닥의 하층의 패턴(103)의 에지(304 또는 404), 실선은 도 2의 계측 화상에 있어서의 구멍 패턴(102)의 에지(303 또는 403)와 구멍 바닥의 하층의 패턴(103)의 에지(302 또는 402)이다. 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 패턴별로 화상의 위치 맞춤을 행한다고 하고 있고, 도 3의 선도(線圖)(301)는, 도 1의 기준 화상으로부터 얻어진 구멍 바닥의 하층의 패턴(103)의 에지(304)와 도 2의 계측 화상으로부터 얻어진 구멍 바닥의 하층의 패턴(103)의 에지(302)에 의해 위치 맞춤이 정상적으로 행해졌을 경우를, 도 4의 선도(401)는, 도 1의 기준 화상으로부터 얻어진 구멍 바닥의 하층의 패턴(103)의 에지(404)와 도 2의 계측 화상으로부터 얻어진 구멍 바닥의 하층의 패턴(103)의 에지(402)에 의한 위치 맞춤이 정상적으로 행해지지 않았을 경우의 예를 나타내는 것이다.

도 3과 도 4 중의 번호를 부여한 각 영역(311∼313 및 411∼415)은, 도 1의 기준 화상과 도 2의 계측 화상의 번호를 부여한 각 영역(101∼103, 및 201)의 겹침 방식이 서로 다르고, 도 1의 기준 화상과 도 2의 계측 화상의 농담값의 차도 서로 다르지만, 실제의 화상에서는, 도 1, 도 2의 번호를 부여한 영역 내도 밝기 불균일이 있고, 도 1과 도 2에서 같은 번호로 나타낸 영역도, 디바이스의 서로 다른 위치에서 촬상되기 때문에, 농담값이 동일하게는 되지 않는다. 이 때문에, 도 3, 도 4에서 나타낸 영역마다 농담값의 차는 대략 서로 다르지만, 실제로는 영역마다의 차이는 더욱 불명료해지고, 도 3, 도 4에서 나타내는 바와 같은 영역을 농담값의 차로 명료하게 나타내는 것은 어렵다. 따라서, 특허문헌 1 기재와 같이, 기준 화상과 계측 화상의 차이부가 일정값 이상으로 되는 영역을 표시해도, 각 패턴에 의해 화상 위치 맞춤이 정상적으로 행해졌는지의 여부를 판단하는 것은 곤란하다.

특허문헌 2에는, 기준 화상과 검사 화상에 대해서 채색을 행하여, 기준 화상과 검사 화상의 차이를 검출하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 오버레이를 계측하는 대상으로 되는 패턴의, 어느 한쪽의 패턴을 기준으로 기준 화상과 검사 화상의 위치 맞춤을 행하지 않기 때문에, 오버레이 계측으로서의 화상 위치 맞춤 결과를 표시할 수 없다. 또한, 오버레이를 계측하는 대상으로 되는 각 패턴으로 위치 맞춤을 행했다고 해도, 참조 화상의 골격 화상 또는, 에지 화상과, 검사 화상의 검사 오브젝트를, 논리 연산으로 화상 결합해도 화상 위치 맞춤이 정상적으로 되었는지의 여부를 판단할 수 있는 화상을 얻을 수는 없다.

도 3, 도 4에 있어서의 기준 화상의 구멍 바닥의 하층의 패턴(103)의 에지 화상(302 및 402), 계측 화상의 하층 패턴의 영역(312, 412, 414)을 검사 오브젝트로 해서, 그 논리곱을 취한 결과를 도 5, 도 6의 501, 601의 굵은 선으로 나타냈다. 도 5의 가는 윤곽선(502, 503), 도 6의 가는 윤곽선(602∼604)은, 도 3, 도 4에서 도시되어 있는 선화를 참고로 나타낸 것이다. 도 5, 도 6에 나타낸 굵은 선(501, 601)만으로는, 위치 맞춤이 정상적으로 행해졌는지의 여부를 판단할 수 없다.

본 발명은, 종래 기술의 문제점을 해결해서, 주사형 전자현미경에 의해 촬상된 반도체 디바이스의 제품 회로 화상에 의해, 기준 화상과 계측 화상의 비교에 의해 오버레이의 계측을 행하는 방법에 있어서, 기준 화상과 계측 화상의 비교 결과를 확인 용이한, 오버레이 계측 방법, 장치, 및 표시 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 반도체 디바이스의 서로 다른 층에 형성된 패턴 간의 오버레이를 계측하는 방법에 있어서, 주사형 전자현미경을 이용해서 반도체 디바이스의 상층에 형성된 패턴과 하층에 형성된 패턴 사이의 맞춤 어긋남인 오버레이가 없는 상태의 패턴을 포함하는 기준 화상을 취득하고, 주사형 전자현미경을 이용해서 반도체 디바이스의 상층에 형성된 대상의 패턴과 하층에 형성된 패턴을 포함하는 계측 화상을 취득하고, 취득한 기준 화상과 취득한 계측 화상의 대응하는 패턴의 위치 어긋남량을 산출하고, 취득한 기준 화상과 취득한 계측 화상을 미분(微分) 처리해서 미분 기준 화상과 미분 계측 화상을 생성하고, 생성한 미분 기준 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 제1 색으로 채색해서 채색 미분 기준 화상을 생성하고, 생성한 미분 계측 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 제1 색과 다른 제2 색으로 채색해서 채색 미분 계측 화상을 생성하고, 산출한 패턴의 위치 어긋남량의 정보를 이용해서 채색 미분 기준 화상 또는 채색 미분 계측 화상의 위치 보정을 행하고, 위치 보정을 행한 채색 미분 기준 화상과 채색 미분 계측 화상을 중첩해서 산출한 패턴의 위치 어긋남량의 정보와 함께 표시하도록 했다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 반도체 디바이스의 서로 다른 층에 형성된 패턴의 오버레이를 계측하는 장치를, 반도체 디바이스의 상층에 형성된 패턴과 하층에 형성된 패턴 사이의 맞춤 어긋남인 오버레이가 없는 상태의 패턴을 포함하는 영역을 촬상해서 기준 화상을 취득하고, 반도체 디바이스의 상층에 형성된 계측 대상의 패턴과 하층에 형성된 계측 대상의 패턴을 포함하는 영역을 촬상해서 계측 화상을 취득하는 주사형 전자현미경 수단과, 주사형 전자현미경 수단으로 취득한 기준 화상과 계측 화상의 대응하는 패턴의 위치 어긋남량을 산출하는 위치 어긋남량 산출 수단과, 주사형 전자현미경 수단으로 취득한 기준 화상과 계측 화상을 미분 처리해서 미분 기준 화상과 미분 계측 화상을 생성하는 미분 화상 생성 수단과, 미분 화상 생성 수단으로 생성한 미분 기준 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 제1 색으로 채색해서 채색 미분 기준 화상을 생성하고 미분 화상 생성 수단으로 생성한 미분 계측 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 제1 색과 다른 제2 색으로 채색해서 채색 미분 계측 화상을 생성하는 채색 미분 화상 생성 수단과, 위치 어긋남량 산출 수단으로 산출한 패턴의 위치 어긋남량의 정보를 이용해서 채색 미분 화상 생성 수단으로 생성한 채색 미분 기준 화상 또는 채색 미분 계측 화상의 위치 보정을 행하는 화상 위치 보정 수단과, 화상 위치 보정 수단으로 위치 보정을 행한 채색 미분 기준 화상과 채색 미분 계측 화상을 중첩해서 위치 어긋남량 산출 수단으로 산출한 패턴의 위치 어긋남량의 정보와 함께 표시하는 표시 수단을 구비해서 구성했다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 반도체 디바이스의 서로 다른 층에 형성된 패턴의 오버레이를, 주사형 전자현미경으로 촬상해서 취득한 반도체 디바이스의 상층에 형성된 패턴과 하층에 형성된 패턴 사이의 맞춤 어긋남인 오버레이가 없는 상태의 패턴을 포함하는 영역의 기준 화상과 반도체 디바이스의 상층에 형성된 계측 대상의 패턴과 하층에 형성된 계측 대상의 패턴을 포함하는 영역의 계측 화상과의 비교에 의해 계측한 오버레이 계측 결과를 표시하는 장치에 있어서, 기준 화상의 미분 필터 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 제1 색으로 채색된 채색 미분 기준 화상과, 계측 화상의 미분 필터 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 제1 색과는 다른 제2 색으로 채색된 채색 미분 계측 화상을 중첩해서 표시하도록 했다.

본 발명에 따르면, 주사형 전자현미경(SEM)을 이용해서 반도체 디바이스를 촬상해서 얻어진 SEM 화상을 이용한, 기준 화상과 계측 화상의 비교에 의한 반도체 디바이스의 제품 회로를 이용한 오버레이 계측에 있어서, 얻어진 오버레이양에 따라서 기준 화상 또는 계측 화상을 어긋나게 해서 중첩 표시했을 때, 시인성이 좋은 중첩 표시를 행하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 구멍 패턴 형성 공정을 거쳐 구멍 패턴이 형성된 반도체 디바이스를 주사형 전자현미경으로 촬상해서 얻어진 화상으로서, 구멍 패턴과 하층에 형성된 패턴 사이에 어긋남이 없는 상태를 나타내는 기준 화상의 모식도.
도 2는 구멍 패턴 형성 공정을 거쳐 구멍 패턴이 형성된 반도체 디바이스를 주사형 전자현미경으로 촬상해서 얻어진 화상으로서, 구멍 패턴과 하층에 형성된 패턴 사이에 어긋남이 발생해 있는 상태를 나타내는 구멍 공정의 계측 화상의 모식도.
도 3은 도 1의 기준 화상과 도 2의 계측 화상에서 각각 관찰되는 패턴의 에지를 추출한 선화이고, 각각의 화상으로부터 추출된 패턴 에지에 의해 위치 맞춤이 정상적으로 행해진 상태를 나타내는 선도.
도 4는 도 1의 기준 화상과 도 2의 계측 화상에서 각각 관찰되는 패턴의 에지를 추출한 선화이고, 각각의 화상으로부터 추출된 패턴 에지에 의해 위치 맞춤이 정상적으로 행해지지 않은 상태를 나타내는 선도.
도 5는 도 3의 선도에 있어서, 기준 화상에 있어서의 구멍 패턴의 하층에 형성된 패턴의 에지 화상과 계측 화상에 있어서의 구멍 패턴의 하층에 형성된 패턴의 영역을 검사 오브젝트로 해서 그 논리곱을 취한 결과로서 구멍 패턴의 하층에 형성된 패턴의 에지 부분을 굵은 선으로 나타낸 선도.
도 6은 도 4의 선도에 있어서, 기준 화상에 있어서의 구멍 패턴의 하층에 형성된 패턴의 에지 화상과 계측 화상에 있어서의 구멍 패턴의 하층에 형성된 패턴의 영역을 검사 오브젝트로 해서 그 논리곱을 취한 결과로서 구멍 패턴의 하층에 형성된 패턴의 에지 부분을 굵은 선으로 나타낸 선도.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서의 오버레이 계측 장치의 대략의 구성을 나타내는 블록도.
도 8은 하층에 콘택트 플러그가 형성되고, 상층에 구멍 패턴이 형성된 반도체 디바이스의 부분 단면도이고, 하층의 콘택트 플러그와 상층의 구멍 패턴 사이에 맞춤 어긋남이 없는 상태를 나타냄.
도 9는 도 8의 상태의 반도체 디바이스를 주사형 전자현미경으로 촬상해서 얻어진 화상의 모식도.
도 10은 하층에 콘택트 플러그가 형성되고, 상층에 구멍 패턴이 형성된 반도체 디바이스의 부분 단면도이고, 하층의 콘택트 플러그와 상층의 구멍 패턴 사이에 맞춤 어긋남이 발생해 있는 상태를 나타냄.
도 11은 도 10의 상태의 반도체 디바이스를 주사형 전자현미경으로 촬상해서 얻어진 화상의 모식도.
도 12는 본 발명의 실시예에 있어서의 오버레이를 산출하는 처리의 수순을 나타내는 플로차트.
도 13은 본 발명의 실시예에 있어서의 오버레이를 표시하는 화상을 생성하는 수순을 나타내는 플로차트.
도 14는 본 발명의 실시예의 변형예에 있어서의 마스크 처리를 수반하는 기준 화상 및 계측 화상을 생성하는 수순을 나타내는 플로차트.
도 15는 본 발명의 실시예의 변형예에 있어서의 표시 화상(1310과 1315)을 중첩한 상태를 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 실시예의 변형예에 있어서의 표시 화상(1310과 1315)을 중첩한 상태에 있어서의 구멍 패턴의 대표 위치의 변화를 벡터 표시한 도면.
도 17은 본 발명의 실시예의 변형예에 있어서의 표시 화상의 예이고, 도 13의 표시 화상(1310)에 계측 화상을 중첩한 상태를 나타내는 표시 화상.
도 18은 본 발명의 실시예의 변형예에 있어서의 표시 화상의 예이고, 도 13의 표시 화상(1310)에 기준 화상을 중첩한 상태를 나타내는 표시 화상.
도 19는 본 발명의 실시예에 있어서의 오버레이를 계측하는 처리 수순을 나타내는 플로차트.
도 20은 본 발명의 실시예에 있어서의 오버레이를 계측한 결과를 표시하는 화면의 구성을 나타내는 표시 화면의 정면도.

본 발명은, 반도체 디바이스의 다층에 형성된 회로 패턴의, 각 층 간의 패턴의 오버레이를 계측하는 것에 관한 것으로서, 회로 패턴을 촬상해서 얻어진 SEM 화상에 의한 기준 화상과 계측 화상을 이용해서 계측해서 얻어진 오버레이양에 따라서 기준 화상 또는 계측 화상을 위치를 보정해서 중첩해서 표시할 때에, 시인성이 좋은 중첩 표시를 행할 수 있도록 한 것이다.

이하에, 도면을 이용해서 본 발명의 실시예를 설명한다.

(실시예 1)

도 7에 본 발명에 관한 오버레이 계측 장치(1000)의 전체 구성도를 나타낸다. 오버레이 계측 장치(1000)는, 주사형 전자현미경 장치(700)와 처리·제어부(750)를 구비해서 구성되어 있다.

주사형 전자현미경 장치(700)는, 반도체 웨이퍼(707)를 재치(載置)하는 스테이지(706), 전자총(702)으로부터 방출된 전자빔(701)을 제어하는 조사광학계(710), 전자빔(701)이 조사된 시료(반도체 웨이퍼(707)) 상으로부터 방출되는 2차 전자 또는 반사 전자(709)를 검출하는 검출기(708)를 구비해서 구성된다. 조사광학계(710)는, 전자총(702), 및, 전자빔(701)의 경로 상에 있는 콘덴서 렌즈(703), 편향 코일(704), 대물 렌즈(705)를 구비하고 있다. 전자빔(701)은 이 조사광학계(710)에 의해 반도체 웨이퍼(707) 상의 관찰 대상인 결함이 있는 소정의 영역에서 집광된다.

처리·제어부(750)는, A/D 컨버터(751), 화상 처리부(752), 전체 제어부(753), 전자광학계 제어부(754), 스테이지 컨트롤러(755), 표시 단말(756)을 구비하고 있다.

주사형 전자현미경 장치(700)에서, 전자빔(701)이 조사된 반도체 웨이퍼(707)로부터 방출된 2차 전자 또는 반사 전자를 검출한 검출기(708)로부터 출력된 검출 신호는, A/D 컨버터(751)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 변환 후의 디지털 신호는 화상 처리부(752)에 보내지고, 화상 처리부(752)에서는, A/D 컨버터(751)로부터 보내져 온 디지털 신호를 이용해서 화상 처리를 행하고, 화상 내의 결함 위치의 검출 등을 행하고, 그 결과를 전체 제어부(753)를 통해 표시 단말(756)에 표시해서 출력한다. 스테이지 컨트롤러(755)는, 전체 제어부(753)로부터의 제어 신호를 받아서 주사형 전자현미경 장치(700)의 스테이지(706)를 구동한다. 전자광학계 제어부(754)는, 전체 제어부(753)로부터의 제어 신호를 받아서 주사형 전자현미경 장치(700)의 전자총(702), 콘덴서 렌즈(703), 편향 코일(704), 대물 렌즈(705) 등을 제어한다.

화상 처리부(752), 전체 제어부(753), 제어 단말(756)에는 기록 매체(도시하지 않음)가 접속 가능하게 되어 있고, 화상 처리부(752)에서 실행되는 프로그램을, 이 기록 매체로부터 판독하고, 화상 처리부(752)에 로드할 수 있는 구성으로 되어 있다.

이후의 오버레이의 계측의 설명에 있어서, 계측의 대상으로 되는 반도체 웨이퍼(707)에 형성된 디바이스 패턴의 예를 도 8, 도 10의 모식도에서, 그 촬상 화상의 예를 도 9, 도 11에서 설명한다.

도 8은, 하층(802)에 콘택트 플러그(804)가 형성되고(도시를 생략하고 있지만, 실제로는, 콘택트 플러그(804)의 표면에는, 콘택트 플러그와 거의 같은 직경의 박막의 콘택트 패드가 형성되어 있고, 도 1의 예에서는, 실제로는 콘택트 패드를 관찰하고 있음), 상층(801)에 구멍 패턴(803)이 형성된 반도체 디바이스의 부분 단면을 간략화한 모식적 단면도이고, 하층의 콘택트 플러그(804)와 상층의 구멍 패턴(803)이 정렬되어서 맞춤 어긋남이 없는 상태를 나타낸다.

도 9는, 도 8의 구멍 패턴(803)을 포함하는 영역을 주사형 전자현미경 장치(700)를 이용해서 위쪽으로부터 촬상했을 때 얻어지는 SEM 화상을 나타내고, 도 8의 상층(801)이 영역(901), 하층의 콘택트 플러그(804)가 영역(902), 구멍 패턴(803)의 윤곽이 패턴(903)으로서 촬상되어 있다. 이후, 주사형 전자현미경 장치(700)로 촬상해서 얻어진 SEM 화상 중에서 구멍 패턴(803)을 통해서 관찰되는 하층(802)에 형성된 콘택트 플러그(804)를 하층 패턴(902)이라 한다. 또한, 상층(801)에 작성된 구멍(803)에 대응하는 SEM 화상을 단순히 상층 패턴(903)이라 하는 경우도 있다.

도 10은, 하층(1002)에 콘택트 플러그(1004)가 형성되고, 상층(1001)에 구멍 패턴(1003)이 형성된 반도체 디바이스의 부분 단면을 간략화한 모식적 단면도이고, 하층의 콘택트 플러그(1004)와 상층의 구멍 패턴(1003) 사이에 맞춤 어긋남이 발생해 있는 상태를 나타내는 것이다.

도 11은, 도 10의 구멍 패턴(1003)을 포함하는 영역을 주사형 전자현미경 장치(700)를 이용해서 위쪽으로부터 촬상한 상층(1001)의 표면에 대응하는 영역(1101)의 SEM 화상이고, 구멍 패턴(1003)의 윤곽(1103)에 대하여, 하층의 콘택트 플러그(1004)의 영역(1102)이 어긋나, 하층(1002)이 도 11에서 가장 어두운 영역(1104)으로서 촬상되어 있다.

이 상층(801(1001))에 형성된 구멍 패턴(803(1003)) 하층(802(1002))에 형성된 콘택트 플러그(804(1004))의 맞춤 어긋남을 보는 것이 오버레이의 계측의 목적이고, 촬상 화상의 처리에 있어서는 도 8(도 10)의 단면도에 있어서의 하층(802(1002))에 형성된 콘택트 플러그(804(1004))에 대응하는 도 9(도 11)에 나타내는 SEM 화상 중에 있어서의 하층 패턴(902(1102))과, 도 8(도 10)의 단면도에 있어서의 상층(801(1001))에 형성된 구멍 패턴(803(1003))에 대응하는 도 9(도 11)에 나타내는 SEM 화상 중에 있어서의 상층 패턴(903(1103))에서 나타나는 구멍 패턴의 어긋남을 계측한다.

도 8 및 도 10에서는 하층(802 또는 1002)에 형성되는 패턴(804 또는 1004)을 콘택트 플러그로 설명했지만, 하층(802 또는 1002)에 형성되는 패턴은 콘택트 플러그로 한정되는 것은 아니고, 그 밖의 패턴이어도 상관없다. 또한, 도 9 및 도 11에서는 구멍 패턴(903 및 1103)의 형상은 동그라미로 도시하고 있지만, 화상 중의 구멍의 형상은 동그라미로 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에서 기술하는, 기준 화상과 계측 화상의 비교에 의한 오버레이 계측에서는, 도 9와 같이 오버레이 계측의 대상으로 되는 2개의 패턴, 이 예에서는 구멍 패턴(803)에 대응하는 상층 패턴(903)과 콘택트 플러그(804)에 대응하는 하층 패턴(902)이 정렬된 상태의 화상을 기준 화상으로 한다. 이 기준 화상은 유저 선택에 의해 1개소에서 촬상한 것, 또는 복수 개소에서 촬상한 화상으로부터 작성한 것이어도 상관없다. 또한, 이하 도 12를 이용해서 설명하는 기준 화상과 계측 화상의 비교에 의한 오버레이의 계측에 있어서는, 기준 화상의 영역(902)과 윤곽(903)을 상층 패턴의 표면의 구멍의 윤곽이나 영역 정보로서, 마찬가지로 영역(902)과 윤곽(903)을 하층 패턴과의 경계면인 구멍 패턴(803)의 구멍 바닥의 윤곽이나 영역 정보로서 이용한다.

도 12에 주사형 전자현미경(700)을 이용해서 취득한 반도체 웨이퍼(707)의 SEM 화상에 있어서의 기준 화상과 계측 화상의 비교에 의한 오버레이 계측 처리의 플로를 나타낸다. 우선, 하층 패턴의 상(12011)을 포함하는 기준 화상(1201)(도 9에서 설명한 화상에 상당)과, 계측 대상으로 되는 하층 패턴의 상(12021)과 하층의 상(12022)을 포함하는 계측 화상(1202)(도 11에서 설명한 화상에 상당)의 각각의 화상으로부터 오버레이 계측 대상으로 되는 패턴의 추출을 행하여(S1251), 상층 패턴 화상(1211)과 하층 패턴 화상(1212)을 작성한다. 상층 패턴의 화상(1211)으로서는, 구멍 패턴의 화상(1204)을 포함하는 기준 화상(1203)과 구멍 패턴 화상(1206)을 포함하는 계측 화상(1205)을 작성한다. 하층 패턴의 화상(1212)으로서는, 하층 패턴의 상(12011)에 대응하는 콘택트 플러그 패턴 화상(1208)을 포함하는 기준 화상(1207)과, 하층 패턴의 상(12021)에 대응하는 콘택트 플러그 패턴 화상(1210)을 포함하는 계측 화상(1209)을 작성한다. 상층 패턴의 화상(1211) 및 하층 패턴의 화상(1212)의 추출은 농담값 베이스의 영역 분할 등, 화상 처리에 있어서의 영역 분할의 방법을 이용할 수 있다.

다음으로, 작성한 상층 패턴의 화상(1211)에 있어서 기준 화상(1203)과 계측 화상(1205)의 화상 위치 맞춤을 행하고(S1252), 상층 패턴의 화상(1211)의 기준 화상(1204)에 있어서의 구멍 패턴 화상(1204)과 계측 화상(1205)에 있어서의 구멍 패턴 화상(1206) 사이의 위치 어긋남량(ΔUx, ΔUy)을 구한다 (S1254).

도 12에서는 추출한 패턴을 2치(値) 화상으로 나타내고 있지만, 상층 패턴의 화상(1211)의 구멍 패턴(803, 1003)에 해당하는 구멍 패턴 화상(1204, 1206)의 영역, 및, 하층 패턴의 화상(1212)의 콘택트 플러그(804, 1004)에 해당하는 콘택트 플러그 패턴 화상(1208, 1210)의 영역만의 원화상(原畵像), 또는 상층 패턴의 화상(1211) 및 하층 패턴의 화상(1212)의 해당하는 영역만의 원화상을 필터 처리한 그 밖의 화상을 이용함에 의해, 스텝S1252에 있어서의 화상 위치 맞춤의 정밀도를 향상할 수 있는 경우도 있다.

하층 패턴의 화상(1212)에 대해서도, 상층 패턴의 화상(1211)의 경우와 마찬가지로, 기준 화상(1207)과 계측 화상(1209)의 화상 위치 맞춤을 행하고(S1253), 하층 패턴의 화상(1212)의 기준 화상(1207)에 있어서의 콘택트 플러그 패턴 화상(1208)과 계측 화상(1209)에 있어서의 콘택트 플러그 패턴 화상(1210)의 위치 어긋남량(ΔLx, ΔLy)을 구한다(S1255). 마지막으로, S1254와 S1255의 결과를 이용해서 오버레이양(Δx, Δy)을 산출한다(S1256).

이 방법에서는, 기준 화상에 있어서의 상층과 하층의 2개의 패턴의 위치 관계에 대하여, 계측 화상에 있어서의 상층과 하층의 2개의 패턴의 위치 관계가 상대적으로 얼마나 어긋났는지를 계측할 수 있다.

또, 도 12에서는 화상 중에 1개의 패턴이 있는 경우로 설명했지만, 화상 중에 복수의 패턴이 있어도 된다. 복수의 패턴이 있는 경우는, 개개의 패턴에서 도 12에 나타내는 오버레이양을 산출한 후에, 그 평균값을 취하면 된다.

다른 방법으로서는, 화상 중의 복수의 패턴을 일괄로 처리하는 방법도 생각할 수 있다. 즉, 상층 패턴 화상에서는 복수의 패턴을 포함하는 기준 화상과 계측 화상의 화상 비교를 행하여, 상층 패턴 위치 어긋남량을 구하고, 하층 패턴 화상에서는 복수의 패턴을 포함하는 기준 화상과 계측 화상의 화상 비교를 행하여, 하층 패턴 위치 어긋남량을 구한다. 구한 상층 패턴 위치 어긋남량과, 하층 패턴 위치 어긋남량으로부터, 오버레이양을 산출하면 된다.

도 13에 도 12의 오버레이 계측의 결과 표시의 처리 수순을 나타낸다. 도 12에서 나타낸 기준 화상(1201)과, 계측 대상으로 되는 계측 화상(1202)에 대하여, 미분 필터 처리를 행하고(S1351), 상층의 구멍 패턴 화상(1302)(하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1302)이기도 함)을 포함하는 미분 기준 화상(1301)과, 상층의 구멍 패턴 화상(1304)과 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1305)을 포함하는 미분 계측 화상(1303)을 생성한다. 미분 필터로서는 소벨 필터 등을 이용한다.

다음으로, 미분 기준 화상(1301)을 색 1로 채색하고(S1352), 미분 계측 화상(1303)을 색 2로 채색한다(S1353). 색 1과 색 2는 서로 다른 색이고, 색 대비 효과가 높은 색을 선택한다. 구체적으로는, 색 1과 색 2는 보색의 관계, 또는 RGB 컬러 모델이며 색 1은 R만, 색 2는 G와 B의 혼색을 사용하고, 또는 색 1은 G와 B의 혼색, 색 2는 R만으로 한다. 미분 기준 화상(1301)의 채색에서는, 미분 기준 화상(1301)의 농담값을, 선형 변환, 혹은 비선형 변환한 값을 색 1의 명도로서 설정한다. 미분 계측 화상(1303)의 채색에 대해서도 마찬가지이다.

다음으로, 채색한 미분 기준 화상(1301)의 화상 위치 보정을, 도 12의 처리 플로에 있어서의 스텝S1255에서 산출한 하층 패턴의 위치 어긋남량(ΔLx, ΔLy)을 이용해서 행하고(S1354), 미분 기준 화상(1301)의 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1302)(상층의 구멍 패턴 화상이기도 함)의 위치를, 미분 계측 화상(1303)의 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1305)의 위치에 맞춘다.

마지막으로, 미분 기준 화상(1301)에 대해서 S1352에서 채색하고 S1354에서 위치 보정한 화상을, 미분 계측 화상(1303)에 대해서 S1353에서 채색한 화상과 중첩하여(S1356), 표시 화상(1310)을 얻는다. 표시 화상(1310)은, 미분 필터 처리(S1351)에 의해 패턴의 에지가 강조되며, 또한 S1352와 S1353에서 서로 다른 색으로 채색된 기준 화상과 계측 화상이 중첩된 것이다. 이 표시 화상(1310)은, 표시 단말(756)의 화면 상에 표시된다.

표시 화상(1310)에 있어서의 1311은, 미분 기준 화상(1301)에 있어서의 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1302)의 윤곽(미분 기준 화상(1301)에 있어서의 상층의 구멍 패턴 화상(1302)의 윤곽이기도 함), 1312는 미분 계측 화상(1303)에 있어서의 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1305)의 윤곽, 1313은 미분 계측 화상(1303)에 있어서의 상층의 구멍 패턴 화상(1304)의 윤곽이다. 이 표시 화상(1310)에 의해 미분 기준 화상(1301)에 있어서의 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1302)과 미분 계측 화상(1303)에 있어서의 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1305)의 위치 맞춤이 정상적으로 행해져 있는 것을 확인할 수 있다.

표시 화상(1310)에서는 보기 쉬움을 위하여, 미분 기준 화상(1301)에 있어서의 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1302)의 윤곽(1311)과, 미분 계측 화상(1303)에 있어서의 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1305)의 윤곽(1312)은 조금 어긋나게 해서 그리고 있다. 실제의 화상에서는, 표시 화상(1310)에 있어서의 윤곽(1311, 1312, 1313)은 도시한 바와 같이 가는 선이 아니라, 패턴 에지 위치에서 가장 밟고, 멀어짐에 따라서 어두워지는 폭이 있는 선이다. 앞서 기술한 채색의 방법에 따르면, 윤곽(1311과 1312와 1313)의 어느 하나가 겹쳐져 있는 중첩부에서는 투과성이 확보되어 있으므로, 두꺼운 폭의 농담을 갖는 선 패턴의 중첩 상태의 확인이 용이해진다.

한편, 미분 기준 화상(1301)에 있어서의 상층의 구멍 패턴 화상(1302)과 미분 계측 화상(1303)에 있어서의 상층의 구멍 패턴 화상(1304)의 위치 맞춤의 결과를 확인하는 경우는, S1352에 있어서 채색한 미분 기준 화상(1301)에 대해서, S1254에서 산출한 상층 패턴 위치 어긋남량(ΔUx, ΔUy)을 이용해서 행하고(S1355), 미분 기준 화상(1301)에 있어서의 상층의 구멍 패턴 화상(1302)의 위치를 미분 계측 화상(1303)에 있어서의 상층의 구멍 패턴 화상(1304)의 위치에 맞춘 후에, S1353에서 채색한 미분 계측 화상(1303)과 중첩해서(S1357), 표시 화상(1315)을 얻는다. 이 표시 화상(1315)은, 표시 단말(756)의 화면 상에 표시된다.

표시 화상(1315)은 미분 필터 처리(S1351)에 의해 패턴의 에지가 강조되며, 또한 S1352 또는 S1353에서 서로 다른 색으로 채색된 미분 기준 화상(1301)과 미분 계측 화상(1303)이 S1357에 있어서 중첩된 것이다.

표시 화상(1315)에 있어서의 1314는, 미분 기준 화상(1301)에 있어서의 상층의 구멍 패턴 화상(1302)의 윤곽(하층의 콘택트 플러그 패턴 화상의 윤곽이기도 함), 1312는 미분 계측 화상(1303)에 있어서의 하층의 콘택트 플러그 패턴 화상(1305)의 윤곽, 1313은 미분 계측 화상(1303)에 있어서의 상층의 구멍 패턴 화상(1304)의 윤곽이다. 이 표시 화상(1315)에 의해 미분 기준 화상(1301)의 상층의 구멍 패턴 화상(1302)과 미분 계측 화상(1303)의 상층의 구멍 패턴 화상(1304)의 위치 맞춤이 정상적으로 행해져 있는 것을 확인할 수 있다.

표시 화상(1315)에서는 보기 쉬움을 위하여, 미분 기준 화상(1301)에 있어서의 상층의 구멍 패턴 화상(1302)의 윤곽(1314)과, 미분 계측 화상(1303)의 상층의 구멍 패턴(1304)의 윤곽(1313)은 조금 어긋나게 해서 그리고 있다.

표시 화상(1310), 및 표시 화상(1315)을 표시 단말(756)의 화면 상에 표시시켜서 확인함으로써, 위치 맞춤이 정상적으로 실행되었는지의 여부를 알 수 있고, 정상적으로 실행되어 있으면, 상층 패턴의 위치 어긋남량(ΔUx, ΔUy), 하층 패턴의 위치 어긋남량(ΔLx, ΔLy)은 올바르게 계산되어 있어, 도 12의 S1256에 있어서의 오버레이의 산출값은 신뢰할 수 있는 것이라 할 수 있다. 반대로, 표시 화상(1310), 및 표시 화상(1315)에서 윤곽(패턴 에지)(1311, 1312, 1313) 사이에, 또는 윤곽(패턴 에지)(1312, 1313, 1314) 사이에 이상한 어긋남이 있는 경우는, 도 12의 S1252 및 S1253의 화상 위치 맞춤에 실패해 있어, S1256에서 계산한 오버레이양에는 오류가 포함된다.

도 13에서 설명한 처리의 흐름에서는, S1352에서 채색하고 나서 S1354 및 S1355에서 화상의 위치 보정을 행하고 있었지만, 이 순서를 반대로 해서, S1354 및 S1355의 화상의 위치 보정을 행하고 나서 S1352의 채색을 행하도록 해도 된다.

또한, 도 13에서 설명한 처리의 흐름에서는, 미분 기준 화상(1301)을 위치 보정하고 미분 계측 화상(1303)과 중첩해서 표시 화상(1310 및 1315)을 얻는 수순에 대하여 설명했지만, 미분 계측 화상(1303)을 위치 보정하고 미분 기준 화상(1301)과 중첩해서 표시 화상을 얻도록 해도 된다.

도 14에, 도 13에서 나타낸 오버레이 계측의 결과 표시의 처리 수순의 변형예를 나타낸다. 기준 화상(1201) 및 계측 화상(1202)을, 도 13의 S1351에서 설명한 바와 같은 미분 필터 처리(S1403)를 실시한 결과에는, 화상(1411), 및 화상(1413)에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 계측 대상인 패턴(1412 및 1414) 이외에도 미분값이 높은 부분(1415)이 나타나는 경우가 있다. 이와 같은 부분도 포함해서 표시 화상을 작성하면 시인성이 떨어지므로, 기준 화상(1201)에 대해서, 기준 화상(1201)의 상층 패턴을 2치로 추출한 화상(1421)을 반전 처리(S1401)함으로써, 상층 패턴 마스크 화상(1422)을 얻는다. 상층 패턴 마스크 화상(1422)의 흰 부분(1423)은 1, 검은 부분(1424)은 0으로 한다. 이 상층 패턴 마스크 화상(1422)에 의해 화상(1411)을 마스크 처리(S1403)함으로써, 계측 대상인 패턴 이외에 나타난 미분값이 높은 부분을 소거하여, 도 13의 화상(1302)에 상당하는 미분 화상(1425)을 얻을 수 있다.

계측 화상(1202)에 대해서도 마찬가지로 해서, 계측 화상(1202)의 상층 패턴을 2치로 추출한 화상(1431)을 반전 처리(S1402)함으로써, 상층 패턴 마스크 화상(1432)을 얻는다. 상층 패턴 마스크 화상(1432)의 흰 부분(1433)은 1, 검은 부분(1434)은 0으로 한다. 이 상층 패턴 마스크 화상(1432)에 의해, 계측 화상(1202)을 미분 필터 처리(S1351)해서 얻어진 화상(1413)을 마스크 처리(S1404)함으로써, 계측 대상인 패턴 이외에 나타난 미분값이 높은 부분을 소거한 도 13의 화상(1303)에 상당하는 미분 화상(1435)을 얻을 수 있다.

이 후의 처리는, 도 13에 나타낸 채색 처리S1352 이후의 처리를 화상(1425)에 실시하고, 채색 처리(S1353) 이후의 처리를 화상(1453)에 실시함으로써, 기준 화상(1201), 계측 화상(1202)의 계측 영역 이외를 0치로 한 표시 화상(1310, 1315)을 얻을 수 있다. 이 경우, 계측 영역 이외가 검게 되므로, 구멍 패턴(803이나 1003), 콘택트 플러그(804, 1004) 등의 계측 대상 부분의 화상을 명료하게 표시하는 것이 가능하게 된다. 마스킹되는 부분은 0치로 한정되는 것은 아니며, 다른 값, 다른 색으로 치환해도 상관없다.

도 15에, 도 13을 이용해서 설명한 표시 화상(1310과 1315)을 겹친 상태를 나타낸다. 도 13에서 설명한 미분 기준 화상(1301)에 있어서의 구멍 패턴의 화상(1302)(구멍 패턴의 화상에 있어서의 윤곽선)은, 도 15에 나타낸 상태에 있어서, 미분 계측 화상(1303)의 상층 패턴(1313)에 위치 맞춤하기 위한 패턴(1314), 및 미분 계측 화상(1303)의 하층 패턴(1312)에 위치 맞춤하기 위한 패턴(1311)으로서 사용된다. 이 때문에, 미분 기준 화상(1301)의 구멍 패턴의 화상(1302)의 대표 위치를 정해두면, 미분 계측 화상(1303)의 상층 패턴과 위치 맞춤했을 때 얻어지는 미분 기준 화상(1301)의 구멍 패턴의 대표 위치(1502)(도 15에 나타낸 예에서는, 패턴(1314)의 중심 위치)와, 미분 계측 화상(1303)의 하층 패턴과 위치 맞춤했을 때 얻어지는 미분 기준 화상(1301)의 구멍 패턴의 대표 위치(1501)(도 15에 나타낸 예에서는, 패턴(1311)의 중심 위치)의 변화는, 오버레이양 그 자체로 된다. 따라서, 이 2점(1501, 1502)을 이은 도 16에 나타내는 바와 같은 벡터 표시(1601)는, 오버레이 계측 결과로서, 그 어긋남량과, 어긋남의 방향을 표시할 수 있다.

기준 화상의 구멍 패턴의 대표 위치의 결정 방식은, 예를 들면, 미분 필터 처리되고, 마스킹된 기준 화상의 화소값 무게 중심을 생각할 수 있다. 또한, 대표 위치로서는, 화상의 부분 영역이고, 오버레이 계측 처리를 행하기 위해서 설정되는 계측 윈도우의 좌표에 대해서 상대적으로 고정된 위치로 해도 된다. 그러나, 대표 위치는 이들로 한정되지 않으며, 임의로 정해도 상관없다.

도 17은 도 13의 표시 화상(1310)에 있어서, 미분 필터 처리 및 채색 처리한 미분 계측 화상 대신에, 계측 화상(1202) 그 자체를 중첩한 것이다. 이렇게 함에 의해, 하층 패턴의 상(像)(12021)과 하층의 상(12022)이 표시된 계측 화상(1202)의 원화상 위에서, 기준 화상(1201)의 패턴 에지(1311)가 어느 위치에 화상 맞춤되었는지를 확인할 수 있다. 이 경우, 화상 중첩 스텝S1356에 있어서 중첩하는 계측 화상(1202)은, 계측 화상 원화상의 농담값을 R, G, B값으로 균등하게 할당하고, 특정의 색의 채도의 명도로서, 미분 필터 처리된 기준 화상의 농담값을 선형 변환, 또는 비선형 변환해서 할당하면 된다.

도 18은 도 13의 표시 화상(1310)에 있어서, 미분 필터 처리 및 채색 처리한 미분 기준 화상 대신에, 패턴 에지(1311)에 위치를 맞춘 하층 패턴의 상(12011)이 표시된 기준 화상(1201) 그 자체를 중첩한 것이다. 도 13의 표시 화상(1315)에 관해서도 마찬가지의 대체 표시 방법이 가능하다.

표시 요소의 전환에 의해, 오버레이의 계측 결과의 확인이 용이해진다. 여기에서 표시 요소란, 도 13에 있어서, (1) 화상 위치 보정 처리(S1354) 후의 미분 기준 화상, (2) 화상 위치 보정 처리(S1355) 후의 미분 기준 화상, (3) 채색 처리(S1353) 후의 미분 계측 화상, (4) 도 16의 벡터 표시(1601), (5) 하층 패턴 위치 어긋남량(ΔLx, ΔLy)으로 위치 보정(S1354)한 미분 기준 화상, (6) 상층 패턴 위치 어긋남량(ΔUx, ΔUy)으로 위치 보정(S1355)한 미분 기준 화상, (7) 계측 화상의 7개의 표시 요소이다. 이들 임의의 1개 이상의 표시 요소를 단독, 또는 중첩, 또는 중첩의 조합을 차례로 변경함에 의해, 오버레이의 계측 결과의 확인이 보다 용이해진다. 예를 들면, (3)의 채색 처리(S1353) 후의 미분 계측 화상을 상시 표시시키고, (1)의 화상 위치 보정 처리(S1354) 후의 기준 화상의 표시, 비표시를 전환하면서 확인함에 의해, 기준 화상의 하층 패턴(902)이 계측 화상의 하층 패턴(1102)에 올바르게 위치 맞춤되어 있는지의 여부를 보다 용이하게 평가 가능하게 된다.

이상, 하층 패턴의 위치 어긋남량, 또는 상층 패턴의 위치 어긋남량에 의해 기준 화상의 화상 위치 보정을 행하여 화상의 중첩 표시를 행하는 방법을 설명해 왔지만, 하층 패턴의 위치 어긋남량, 혹은 상층 패턴의 위치 어긋남량에 의해 계측 화상의 위치 보정을 행하여 화상의 중첩 표시도 할 수 있는 것은 명확하다. 이 경우, 하층 패턴의 위치 어긋남량, 또는 상층 패턴의 위치 어긋남량은, 기준 화상의 화상 위치 보정에 작용시키는 경우와, 계측 화상의 화상 위치 보정에 작용시키는 경우에서는 역방향으로 되는 것에 주의가 필요하다.

도 12 내지 도 18을 이용해서 설명한, 오버레이 계측 결과의 표시 방법을, 도 7에서 나타낸 오버레이 계측 장치(1000)에서 실시하기 위한 처리의 흐름을 도 19에 나타낸다.

우선, 기준으로 되는 패턴을 SEM으로 촬상해서 기준 화상을 취득하고, 화상 처리부(752)의 기억 영역에 기준 화상(1201)으로서 기억해둔다(S1901). 다음으로, 도 7에 나타낸 오버레이 계측 장치(1000)의 주사형 전자현미경 장치(700)에, 오버레이 계측 대상으로 되는 회로 패턴을 갖는 반도체 웨이퍼(707)를 로드하고, 스테이지(706) 상에 재치한다(S1902). 반도체 웨이퍼(707)를 재치한 후, 처리·제어부(750)의 전체 제어부(753)로부터 스테이지 컨트롤러(755)를 통해서 스테이지(706)를 제어하고, 반도체 웨이퍼(707) 상의 계측 패턴 중 패턴의 맞춤 어긋남이 없는 개소가 주사형 전자현미경 장치(700)의 전자광학계(710)의 관찰 시야에 들어오도록 스테이지(706)를 움직인다(S1903).

다음으로 전자광학계 제어부(754)에 의해 편향 코일(704)을 제어하고, 전자빔(701)에 의해 반도체 웨이퍼(707) 상에 형성된 오버레이의 계측 대상 패턴을 포함하는 영역(계측 대상 영역)을 주사한다. 계측 대상 영역으로부터 발생한 2차 전자를 검출기(708)로 검출해서 얻은 신호는, A/D 컨버터(709)에 의해 디지털 신호로 변환되고, 촬상 화상으로서 화상 처리부(710)에 입력되고, 화상 처리부(710)의 메모리(도시하지 않음)에 기억된다(S1904).

계속해서, 기준 화상(1201)과, 계측 화상(1202)을 화상 처리부(710)의 메모리로부터 판독하고, 화상 처리부(710)의 연산부(도시하지 않음)에서, 도 12에 나타낸 처리 플로에 따라 1212에 나타낸 오버레이(Δx, Δy)를 계산한다(S1905). 계산 처리 종료 후, 도 12의 1210에 나타낸 상층 패턴 위치 어긋남량(ΔUx, ΔUy), 1211에 나타낸 하층 패턴 위치 어긋남량(ΔLx, ΔLy), 1212에 나타낸 오버레이양(Δx, Δy)을 화상 처리부(710)의 메모리에 기억한다.

결과의 표시에 있어서는, 화상 처리부(710)의 메모리에 기억되어 있는, 기준 화상(1201), 계측 화상(1202), 상층 패턴 위치 어긋남량(1210), 하층 패턴 위치 어긋남량(1211)을 판독하고, 화상 처리부(710)의 연산부에서, 도 13에 나타낸 처리 플로를 실행하고, 표시 화상(1310), 및 표시 화상(1315)을 산출하고, 화상 처리부(710)의 메모리에 기억한다(S1906). 산출한 표시 화상(1310), 및 표시 화상(1315)은 화상 처리부(710)로부터 전체 제어부(713)에 출력되고, 전체 제어부(713)는 표시 화상(1310), 또는 표시 화상(1315)을 표시 단말(714)에 표시한다(S1907). S1903부터 S1907까지를, 모든 계측점 수만큼 실행한다.

표시 단말(714)에 계측 영역만 부분적으로 표시하기 위해서는, 도 12에 나타낸 처리 플로 실행 시에, 상층 패턴 기준 화상(1204), 상층 패턴 계측 화상(1205)을 화상 처리부(710)의 메모리에 더 기억해둔다. 결과의 표시에 있어서는, 화상 처리부(710)의 메모리에 기억되어 있는, 기준 화상(1201), 계측 화상(1202), 상층 패턴 기준 화상(1204), 상층 패턴 계측 화상(1205), 상층 패턴 위치 어긋남량(1210), 하층 패턴 위치 어긋남량(1211)을 판독한다. 화상 처리부(710)의 연산부에서, 이 판독한 정보를 이용해서 도 13 및, 도 14에 나타낸 처리 플로를 실행하고, 표시 화상(1310), 또는 표시 화상(1315)을 산출하고, 화상 처리부(710)의 메모리에 기억한다. 산출한 표시 화상(1310), 혹은 표시 화상(1315)은, 화상 처리부(710)로부터 전체 제어부(713)에 출력되고, 전체 제어부(713)은 표시 화상(1310), 또는 표시 화상(1315)을 표시 단말(714)에 표시한다.

도 16에 나타낸 벡터 표시에 대해서는, 기준 화상의 구멍 패턴의 대표 위치는, 전술의 대표 위치를 화상 처리부(710)의 연산부에서 산출하고, 기준 화상에 대응시키고 화상 처리부(710)의 메모리에 기억해둔다. 오버레이 계측 시에, 화상 처리부(710)의 메모리에 기억되어 있는, 전술의 오버레이양(Δx, Δy)과 기준 화상의 대표 위치를, 전체 제어부(713)가 판독하고, 대표 위치를 시점으로 한 오버레이양의 벡터 표시를 전체 제어부(713)의 연산부(도시하지 않음)에서 생성하고, 전체 제어부(713)의 메모리(도시하지 않음)에 기억함과 함께, 표시 단말(714)에 표시한다.

또, 상기 실시예에서는, 기준 화상을 사전에 수록하는 것으로 했지만, 계측 대상으로 하는 반도체 웨이퍼로부터 매회 취득하도록 해도 된다.

도 20에 표시 단말(714)에서의 표시의 구체예를 나타낸다. ID(2001)는 기준 화상(2003), 계측 화상(2004), 계측 결과 화상(2005)의 식별 번호이고, 웨이퍼 상의 오버레이 계측 개소에 대응하는 것이다. 2002는 오버레이의 계측 결과를 수치로 나타내는 것이다. 도 20에서는 계측 결과 화상(2005)과 함께, 기준 화상(2003), 계측 화상(2004)도 표시하고 있지만, 필요하지 않으면 양쪽 모두, 또는 한쪽을 표시하지 않아도 된다. 계측 결과 표시 전환(2006)에 의해, 계측 결과 화상(2005)의 표시 내용을 전환한다. 계측 결과 표시 전환(2006)에는 「화상 비교 결과」, 「벡터 표시」, 「기준 화상」, 「계측 화상」, 「기준 화상 마스크」, 「계측 화상 마스크」의 각 항목의 옆에 스위치가 있고, 검은 동그라미는 선택되어 있는 것을, 흰 동그라미는 선택되어 있지 않은 것을 나타내고 있다. 선택, 비선택의 전환은, 예를 들면 화면 상의 클릭에 의해 행한다. 이하, 계측 결과 표시 전환(2006)에 표시하고 있는 각 항목에 대하여 설명한다.

항목 「화상 비교 결과」에서는, 상층이 선택된 경우는, 1210의 상층 패턴 위치 어긋남량에 의거해, 기준 화상을 위치 보정하고 계측 화상에 중첩해서 계측 결과 화상(2005)으로서 표시하고, 하층이 선택된 경우는, 1211의 하층 패턴 위치 어긋남량에 의거해, 기준 화상을 위치 보정하고 계측 화상에 중첩해서 계측 결과 화상(2005)으로서 표시하는 것이고, 상층, 또는 하층, 혹은 상층과 하층의 양쪽을 선택할 수 있다. 상층만을 선택했을 때의 표시예가 표시 화상(1315)을, 하층만을 선택했을 때의 표시예가 표시 화상(1310)이다.

항목 「벡터 표시」는, 도 16에 나타낸 벡터 표시를 계측 결과 화상(2005)에 중첩하는지의 여부를 선택하는 항목이다.

항목 「기준 화상」은, 계측 결과 화상(2005)에 중첩하는 기준 화상을, 원화상 또는 채색한 에지 필터상으로 할지를 선택하는 항목이고, 양쪽 모두 선택하지 않는 경우는 기준 화상은 계측 결과 화상(2005)에 중첩되지 않는다.

항목 「계측 화상」은, 계측 결과 화상(2005)에 중첩하는 계측 화상을, 원화상 또는 채색한 에지 필터상으로 할지를 선택하는 항목이고, 양쪽 모두 선택하지 않는 경우는 계측 화상은 계측 결과 화상(2005)에 중첩되지 않는다.

항목 「기준 화상 마스크」는, 계측 결과 화상(2005)에 중첩하는 기준 화상을, 상층 패턴 기준 화상(1204)에 의해 마스킹하는지의 여부를 선택하는 항목이다.

항목 「계측 화상 마스크」는, 계측 결과 화상(2005)에 중첩하는 계측 화상을, 상층 패턴 계측 화상(1204)에 의해 마스킹하는지의 여부를 선택하는 항목이다.

이상의 계측 결과 표시 전환의 입력에 따라서, 전체 제어부(713)는 화상 처리부(710)의 메모리, 또는 전체 제어부(713)의 메모리에 기억되어 있는 정보를 판독하고, 계측 결과 화상(2005)의 표시 내용을 갱신하고, 표시 단말(714)에 출력한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, SEM 화상을 이용한, 기준 화상과 계측 화상의 비교에 의한 반도체 디바이스의 제품 회로를 이용한 오버레이 계측에 있어서, 얻어진 오버레이양에 따라서 기준 화상 또는 계측 화상을 어긋나게 해서 중첩 표시했을 때, 중첩 표시의 시인성의 향상이 가능하게 된다.

700 : 주사형 전자현미경 장치 701 : 전자빔
702 : 전자총 703 : 콘덴서 렌즈
704 : 편향 코일 705 : 대물 렌즈
706 : 스테이지 707 : 웨이퍼
708 : 검출기 750 : 처리·제어부
751 : A/D 컨버터 752 : 화상 처리부
753 : 전체 제어부 754 : 전자광학계 제어부
755 : 스테이지 컨트롤러 756 : 표시 단말
1000 : 오버레이 계측 장치

Claims

반도체 디바이스의 서로 다른 층에 형성된 패턴 간의 오버레이를 계측하는 방법으로서,
주사형 전자현미경을 이용해서 반도체 디바이스의 상층에 형성된 패턴과 하층에 형성된 패턴 사이의 맞춤 어긋남인 오버레이가 없는 상태의 패턴을 포함하는 기준 화상을 취득하는 스텝,
주사형 전자현미경을 이용해서 반도체 디바이스의 상기 상층에 형성된 계측 대상의 패턴과 상기 하층에 형성된 패턴을 포함하는 계측 화상을 취득하는 스텝,
상기 취득한 기준 화상과 상기 취득한 계측 화상의 대응하는 패턴의 위치 어긋남량을 산출하는 스텝,
상기 취득한 기준 화상과 상기 취득한 계측 화상을 미분(微分) 처리해서 미분 기준 화상과 미분 계측 화상을 생성하는 스텝,
상기 생성한 미분 기준 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 제1 색으로 채색해서 채색 미분 기준 화상을 생성하고, 상기 생성한 미분 계측 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 상기 제1 색과 다른 제2 색으로 채색해서 채색 미분 계측 화상을 생성하는 스텝,
상기 산출한 패턴의 위치 어긋남량의 정보를 이용해서 상기 채색 미분 기준 화상 또는 상기 채색 미분 계측 화상의 위치 보정을 행하는 스텝,
상기 위치 보정을 행한 채색 미분 기준 화상과 상기 채색 미분 계측 화상을 중첩해서 상기 산출한 패턴의 위치 어긋남량의 정보와 함께 표시하는 스텝
을 갖는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 색과 상기 제2 색은 보색의 관계에 있는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 미분 기준 화상과 미분 계측 화상을 생성하는 스텝에 있어서, 상기 취득한 기준 화상과 상기 취득한 계측 화상을 미분 처리하고, 상기 취득한 기준 화상과 상기 취득한 계측 화상을 반전 처리해서 2치화한 반전 2치 기준 화상과 반전 2치 계측 화상을 생성하고, 상기 미분 처리한 기준 화상을 상기 생성한 반전 2치 기준 화상으로 마스킹해서 상기 미분 기준 화상을 생성하고, 상기 미분 처리한 계측 화상을 상기 생성한 반전 2치 계측 화상으로 마스킹해서 상기 미분 계측 화상을 생성하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 표시하는 스텝에 있어서, 상기 채색 미분 계측 화상으로 바꾸고, 상기 계측 화상을 상기 위치 보정을 행한 채색 미분 기준 화상과 중첩해서 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 표시하는 스텝에 있어서, 상기 채색 미분 기준 화상으로 바꾸고, 상기 기준 화상을 상기 채색 미분 계측 화상과 중첩해서 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 패턴의 위치 어긋남량을 산출하는 스텝에 있어서, 상기 취득한 기준 화상에 있어서의 상기 반도체 디바이스의 상기 상층에 형성된 패턴의 화상과 상기 취득한 계측 화상에 있어서의 상기 반도체 디바이스의 상기 상층에 형성된 계측 대상 패턴의 화상과의 위치 어긋남량과, 상기 취득한 기준 화상에 있어서의 상기 반도체 디바이스의 상기 하층에 형성된 패턴의 화상과 상기 취득한 계측 화상에 있어서의 상기 반도체 디바이스의 상기 하층에 형성된 계측 대상 패턴의 화상과의 위치 어긋남량을 산출하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 채색 미분 기준 화상과 상기 채색 미분 계측 화상의 중첩 표시와 함께, 오버레이의 계측 결과를 벡터 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 방법.
반도체 디바이스의 서로 다른 층에 형성된 패턴의 오버레이를 계측하는 장치로서,
반도체 디바이스의 상층에 형성된 패턴과 하층에 형성된 패턴 사이의 맞춤 어긋남인 오버레이가 없는 상태의 패턴을 포함하는 영역을 촬상해서 기준 화상을 취득하고, 상기 반도체 디바이스의 상기 상층에 형성된 계측 대상의 패턴과 상기 하층에 형성된 계측 대상의 패턴을 포함하는 영역을 촬상해서 계측 화상을 취득하는 주사형 전자현미경 수단과,
상기 주사형 전자현미경 수단으로 취득한 상기 기준 화상과 상기 계측 화상의 대응하는 패턴의 위치 어긋남량을 산출하는 위치 어긋남량 산출 수단과,
상기 주사형 전자현미경 수단으로 취득한 상기 기준 화상과 상기 계측 화상을 미분 처리해서 미분 기준 화상과 미분 계측 화상을 생성하는 미분 화상 생성 수단과,
상기 미분 화상 생성 수단으로 생성한 미분 기준 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 제1 색으로 채색해서 채색 미분 기준 화상을 생성하고, 상기 미분 화상 생성 수단으로 생성한 미분 계측 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 상기 제1 색과 다른 제2 색으로 채색해서 채색 미분 계측 화상을 생성하는 채색 미분 화상 생성 수단과,
상기 위치 어긋남량 산출 수단으로 산출한 패턴의 위치 어긋남량의 정보를 이용해서 상기 채색 미분 화상 생성 수단으로 생성한 채색 미분 기준 화상 또는 상기 채색 미분 계측 화상의 위치 보정을 행하는 화상 위치 보정 수단과,
상기 화상 위치 보정 수단으로 위치 보정을 행한 상기 채색 미분 기준 화상과 상기 채색 미분 계측 화상을 중첩해서 상기 위치 어긋남량 산출 수단으로 산출한 패턴의 위치 어긋남량의 정보와 함께 표시하는 표시 수단
을 구비하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 채색 미분 화상 생성 수단으로 채색하는 상기 제1 색과 상기 제2 색은 보색의 관계에 있는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 미분 화상 생성 수단은, 상기 주사형 전자현미경 수단으로 취득한 상기 기준 화상과 상기 계측 화상을 미분 처리하고, 상기 취득한 기준 화상과 상기 취득한 계측 화상을 반전 처리해서 2치화한 반전 2치 기준 화상과 반전 2치 계측 화상을 생성하고, 상기 미분 처리한 기준 화상을 상기 생성한 반전 2치 기준 화상으로 마스킹해서 상기 미분 기준 화상을 생성하고, 상기 미분 처리한 계측 화상을 상기 생성한 반전 2치 계측 화상으로 마스킹해서 상기 미분 계측 화상을 생성하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 표시 수단은, 상기 채색 미분 계측 화상으로 바꾸고, 상기 계측 화상을 상기 위치 보정을 행한 채색 미분 기준 화상과 중첩해서 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 표시 수단은, 상기 채색 미분 기준 화상으로 바꾸고, 상기 기준 화상을 상기 채색 미분 계측 화상과 중첩해서 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 위치 어긋남량 산출 수단은, 상기 취득한 기준 화상에 있어서의 상기 반도체 디바이스의 상기 상층에 형성된 패턴의 화상과 상기 취득한 계측 화상에 있어서의 상기 반도체 디바이스의 상기 상층에 형성된 계측 대상 패턴의 화상과의 위치 어긋남량과, 상기 취득한 기준 화상에 있어서의 상기 반도체 디바이스의 상기 하층에 형성된 패턴의 화상과 상기 취득한 계측 화상에 있어서의 상기 반도체 디바이스의 상기 하층에 형성된 계측 대상 패턴의 화상과의 위치 어긋남량을 산출하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 위치 어긋남량 산출 수단은, 상기 오버레이의 계측 결과로서 오버레이의 벡터를 구하고, 상기 표시 수단은, 상기 채색 미분 기준 화상과 상기 채색 미분 계측 화상의 중첩 표시와 함께, 오버레이의 계측 결과를 벡터 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 장치.
반도체 디바이스의 서로 다른 층에 형성된 패턴의 오버레이를, 주사형 전자현미경으로 촬상해서 취득한 상기 반도체 디바이스의 상층에 형성된 패턴과 하층에 형성된 패턴 사이의 맞춤 어긋남인 오버레이가 없는 상태의 패턴을 포함하는 영역의 기준 화상과 상기 반도체 디바이스의 상기 상층에 형성된 계측 대상의 패턴과 상기 하층에 형성된 계측 대상의 패턴을 포함하는 영역의 계측 화상과의 비교에 의해 계측한 오버레이 계측 결과를 표시하는 장치로서,
상기 기준 화상의 미분 필터 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 제1 색으로 채색된 채색 미분 기준 화상과, 상기 계측 화상의 미분 필터 화상의 농담값에 대응한 명도값을 갖는 상기 제1 색과는 다른 제2 색으로 채색된 채색 미분 계측 화상을 중첩해서 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 표시 장치.
제15항에 있어서,
상기 제1 색과 상기 제2 색은 보색의 관계에 있는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 표시 장치.
제15항에 있어서,
상기 채색 미분 계측 화상으로 바꾸고, 상기 계측 화상을 상기 채색 미분 기준 화상과 중첩해서 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 표시 장치.
제15항에 있어서,
상기 채색 미분 기준 화상으로 바꾸고, 상기 기준 화상을 상기 채색 미분 계측 화상과 중첩해서 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 표시 장치.
제15항에 있어서,
상기 채색 미분 기준 화상과 상기 채색 미분 계측 화상의 중첩 표시와 함께, 오버레이의 계측 결과를 벡터 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 계측 표시 장치.