特許 7254940 オーバーレイ計測システム及びオーバーレイ計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-31

(45)【発行日】2023-04-10

(54)【発明の名称】オーバーレイ計測システム及びオーバーレイ計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 15/00 20060101AFI20230403BHJP

   G01N 23/2206 20180101ALI20230403BHJP

   G01N 23/2251 20180101ALI20230403BHJP

   H01J 37/22 20060101ALI20230403BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20230403BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20230403BHJP

【ＦＩ】

G01B15/00 K

G01N23/2206

G01N23/2251

H01J37/22 502H

H01J37/28 B

H01L21/66 P

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021541781

(86)(22)【出願日】2019-08-23

(86)【国際出願番号】 JP2019033143

(87)【国際公開番号】W WO2021038649

(87)【国際公開日】2021-03-04

【審査請求日】2022-02-17

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】椙江 政貴

(72)【発明者】

【氏名】酒井 計

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／１８１５７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－８６３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第７０８０３３０（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １５／００ － １５／０８

Ｈ０１Ｊ ３７／２８

Ｈ０１Ｊ ３７／２２

Ｇ０１Ｎ ２３／２２０６

Ｇ０１Ｎ ２３／２２５１

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

走査電子顕微鏡とコンピュータサブシステムとを備え、上層パターンとラインパターンを含む下層パターンとを有する試料のオーバーレイ誤差を計測するオーバーレイ計測システムであって、
前記走査電子顕微鏡は、
一次電子線を試料に向けて照射する電子光学系と、
前記一次電子線で前記試料上を走査して放出される信号電子から二次電子を検出する二次電子検出器と、
前記信号電子から反射電子を検出する反射電子検出器とを備え、
前記コンピュータサブシステムは、
前記二次電子検出器の検出信号から二次電子像を、前記反射電子検出器の検出信号から反射電子像を形成し、
前記反射電子像における輝度情報を前記ラインパターンの長手方向に沿って加算して得られるSUMLINEプロファイルを作成し、
前記二次電子像から検出される前記上層パターンの位置情報と、前記反射電子像から前記SUMLINEプロファイルに基づき推定した推定ラインパターンを用いて検出される前記下層パターンの位置情報とを用いて前記試料のオーバーレイ誤差を算出するよう構成された、
ことを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項2】

請求項１において、
前記コンピュータサブシステムは、
前記二次電子像に対してパターン検出を行って前記上層パターンの位置情報を得ることを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項3】

請求項１において、
前記コンピュータサブシステムは、
前記SUMLINEプロファイルから前記下層パターンの前記ラインパターンの幅またはエッジ位置を推定することを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項4】

請求項１において、
前記コンピュータサブシステムは、
前記二次電子検出器及び前記反射電子検出器ごとに、計測パターン、計測アルゴリズム及び計測オプションを設定する設定画面を表示するよう構成され、
前記計測パターンとして、画像から検出するパターンが設定され、
前記計測アルゴリズムとして、前記計測パターンとして設定されたパターンを前記画像から検出するためのアルゴリズムが設定され、
前記計測オプションとして、前記計測アルゴリズムとして設定されたアルゴリズムにより前記画像から前記計測パターンとして設定されたパターンを検出するために必要な設定事項が設定されることを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項5】

請求項４において、
前記コンピュータサブシステムは、
前記二次電子像及び前記反射電子像を取得する条件を設定する設定画面を表示するよう構成され、
前記条件として、前記二次電子像及び前記反射電子像を取得する積算フレーム数を含むことを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項6】

請求項５において、
前記設定画面により、前記積算フレーム数を自動設定させることを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項7】

請求項１において、
前記コンピュータサブシステムは、
前記二次電子像及び前記反射電子像を取得する積算フレーム数を設定し、
前記反射電子像の取得のため加算するフレーム数を１フレームずつ増やしながら、前記SUMLINEプロファイルを作成し、前記SUMLINEプロファイルの評価値が閾値以上となったときのフレーム数を前記積算フレーム数として設定することを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項8】

請求項７において、
前記SUMLINEプロファイルの評価値を前記SUMLINEプロファイルの輝度変化量とすることを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項9】

請求項７において、
前記コンピュータサブシステムは、
前記二次電子像の取得のため加算するフレーム数を１フレームずつ増やしながら、前記二次電子像を形成し、前記二次電子像の評価値が閾値以上となったときのフレーム数と前記SUMLINEプロファイルの評価値が閾値以上となったときのフレーム数とを比較して大きい方のフレーム数を前記積算フレーム数として設定することを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項10】

請求項１において、
前記コンピュータサブシステムは、
前記二次電子像及び前記反射電子像を取得する積算フレーム数を設定し、
前記二次電子像の取得のため加算するフレーム数を１フレームずつ増やしながら、前記二次電子像を形成し、前記二次電子像の評価値が閾値以上となったときのフレーム数を前記積算フレーム数として設定することを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項11】

請求項９または請求項１０において、
前記二次電子像の評価値を前記二次電子像の輝度分散値とすることを特徴とするオーバーレイ計測システム。

【請求項12】

上層パターンとラインパターンを含む下層パターンとを有する試料について走査電子顕微鏡により取得した二次電子像と反射電子像から、前記試料のオーバーレイ誤差を計測するオーバーレイ計測装置であって、
前記反射電子像における輝度情報を前記ラインパターンの長手方向に沿って加算して得られるSUMLINEプロファイルを作成するプロファイル作成部と、
前記二次電子像から検出される前記上層パターンの位置情報と、前記反射電子像から前記SUMLINEプロファイルに基づき推定した推定ラインパターンを用いて検出される前記下層パターンの位置情報とを用いて前記試料のオーバーレイ誤差を算出するオーバーレイ算出部とを有し、
前記二次電子像は、前記試料上を一次電子線により走査して放出される信号電子に含まれる二次電子に基づき形成された電子顕微鏡像であり、前記反射電子像は、前記信号電子に含まれる反射電子に基づき形成された電子顕微鏡像であるオーバーレイ計測装置。

【請求項13】

請求項１２において、
前記二次電子像及び前記反射電子像は、前記走査電子顕微鏡が、前記試料上を一次電子線により走査して得られるフレーム画像を所定数積算して形成された電子顕微鏡像であるオーバーレイ計測装置。

【請求項14】

請求項１２において、
前記二次電子像及び前記反射電子像は、画像保存部に格納され、
前記画像保存部にアクセスして前記二次電子像及び前記反射電子像を取得するオーバーレイ計測装置。

【請求項15】

請求項１２において、
演算処理部と、
記憶装置とを備え、
前記記憶装置は、前記プロファイル作成部の処理を前記演算処理部に実行させるプログラム及び前記オーバーレイ算出部の処理を前記演算処理部に実行させるプログラムを格納するオーバーレイ計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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関し、特に工程間のパターンのずれ量を計測するオーバーレイ計測（重ね合わせ計測）を行うオーバーレイ計測システム、オーバーレイ計測装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの微細化に伴い、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の重要性はますます高くなると考えられる。

【0003】

半導体デバイスは、半導体ウェーハ上の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。半導体デバイス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、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ーハ上のパターンの計測や検査が行われている。

【0004】

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におけるオーバーレイ精度の重要度が高まっている。オーバーレイ計測において従来は、光学式計測技術が広く用いられてきたが、微細化の進んだ半導体デバイスでは、要求される計測精度を得ることが困難になっている。

【0005】

そこで、荷電粒子線装置（走査型電子顕微鏡）を用いたオーバーレイ計測が開発されてきている。特許文献１では、通常測長よりも高加速かつ大電流で電子線を照射して基板を帯電させ、下層構造の違いに起因した電位コントラストを検出することで下層パターン位置を検出してオーバーレイ計測を行う。この場合、電子線走査方向や操作順序に依存して重ね合わせずれ計測オフセットが生じるため、走査方向や走査順序に対称性を持たせることで計測オフセットを打ち消すことにより、重ね合わせずれ計測精度を向上させている。

【0006】

特許文献２では、高加速の電子ビームを照射することによって、試料表面に露出していないパターンの透過像を得てオーバーレイ計測を行う。この場合、試料表面に露出していないパターンの上層に形成された層の影響を受けて、一つのパターンであっても複数の画像濃淡度で表れることになるため、テンプレートを用いてパターン境界を求めている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１５－２１０１４０号公報

【文献】国際公開第２０１７／１３０３６５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

このように荷電粒子線装置（走査型電子顕微鏡）を用いたオーバーレイ計測においては、試料表面に露出していないパターンを検知する必要があるため、試料表面のパターンの測長を行う場合よりも試料に照射するエネルギーを大きくする必要がある。また、計測精度を上げるためには鮮明な画像を得ることが望ましい。このためには、電子顕微鏡像を形成する際のフレーム積算数を増加させることが一般的に行われている。

【0009】

しかしながら、半導体デバイスの製造工程にある半導体ウェーハについてオーバーレイ計測を行う場面として、試料表面に形成されるレジストパターンとその下層に形成される電極あるいは配線パターンとの重ね合わせを検証したい場合がある。このような場合、有機物であるレジストは電子線の影響を受けてシュリンクしやすいため、できるだけ試料への電子線の照射量を抑えた状態で画像を取得し、オーバーレイ計測を行うことが望まれる。もちろん、フレーム積算数を増加させるほど、オーバーレイ計測のスループットも低下する。

【0010】

したがって、試料に照射する一次電子線のエネルギーを極力抑制し、かつフレーム積算数もできるだけ小さくした画像からオーバーレイ計測を行うことが望ましい。このような条件で得られる電子顕微鏡像はＳＮ（信号雑音比）が低くならざるを得ない。すなわち、ＳＮの低い電子顕微鏡像からでもオーバーレイ計測を可能とする必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一実施の態様であるオーバーレイ計測システムは、走査電子顕微鏡とコンピュータサブシステムとを備え、上層パターンとラインパターンを含む下層パターンとを有する試料のオーバーレイ誤差を計測するオーバーレイ計測システムであって、
走査電子顕微鏡は、一次電子線を試料に向けて照射する電子光学系と、一次電子線で試料上を走査して放出される信号電子から二次電子を検出する二次電子検出器と、信号電子から反射電子を検出する反射電子検出器とを備え、
コンピュータサブシステムは、二次電子検出器の検出信号から二次電子像を、反射電子検出器の検出信号から反射電子像を形成し、反射電子像における輝度情報をラインパターンの長手方向に沿って加算して得られるSUMLINEプロファイルを作成し、二次電子像から検出される上層パターンの位置情報と、反射電子像からSUMLINEプロファイルに基づき推定した推定ラインパターンを用いて検出される下層パターンの位置情報とを用いて試料のオーバーレイ誤差を算出するよう構成された、ことを特徴とする。

【0012】

また、本発明の一実施の態様であるオーバーレイ計測装置は、上層パターンとラインパターンを含む下層パターンとを有する試料について走査電子顕微鏡により取得した二次電子像と反射電子像から、試料のオーバーレイ誤差を計測するオーバーレイ計測装置であって、反射電子像における輝度情報をラインパターンの長手方向に沿って加算して得られるSUMLINEプロファイルを作成するプロファイル作成部と、二次電子像から検出される上層パターンの位置情報と、反射電子像からSUMLINEプロファイルに基づき推定した推定ラインパターンを用いて検出される下層パターンの位置情報とを用いて試料のオーバーレイ誤差を算出するオーバーレイ算出部とを有し、二次電子像は、試料上を一次電子線により走査して放出される信号電子に含まれる二次電子に基づき形成された電子顕微鏡像であり、反射電子像は、信号電子に含まれる反射電子に基づき形成された電子顕微鏡像である。

【発明の効果】

【0013】

ＳＮの低いパターン画像からプロセス間のオーバーレイ誤差が計測可能になる。

【0014】

その他の課題と新規な特徴は、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。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施例１のオーバーレイ計測システムの概略構成例である。

【図2A】上層パターン画像（二次電子像）の模式図である。

【図2B】下層パターン画像（反射電子像）の模式図である。

【図3】オーバーレイ計測工程のフローチャートである。

【図4】ホールパターンに基づくフレーム数決定処理フローである。

【図5】ラインパターンに基づくフレーム数決定処理フローである。

【図6】二次電子像からホールパターン中心位置を検出した例である。

【図7】反射電子像に対して実行する画像処理の概要を説明する図である。

【図8】SUMLINEプロファイルからラインパターンを推定する処理の概略を説明する図である。

【図9】ホールパターンの中心位置と推定ラインパターンとを用いたオーバーレイ計測を示す図である。

【図10】計測条件を設定するＧＵＩ画面の例である。

【図11】実施例２のオーバーレイ計測システムの概略構成例である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。

【実施例1】

【0017】

図１は、オーバーレイ計測システムの概略構成例を示している。オーバーレイ計測システム１００は、撮像ツール１２０及びコンピュータサブシステム（オーバーレイ計測装置）１２１を備える。撮像ツール１２０として、本実施例では走査型電子顕微鏡を用いている。撮像ツール１２０は、一次電子線を試料に向けて照射する電子光学系を内蔵するカラム１０１と計測対象である試料が載置される試料室１０２とで構成される。カラム１０１の内部には、電子銃１０３、コンデンサレンズ１０４、対物レンズ１０５、偏向器１０６、二次電子検出器（SE Detector）１０７、Ｅ×Ｂフィルタ１０８、反射電子検出器（BSE Detector）１０９が含まれる。電子銃１０３から発生された一次電子線（照射電子ビーム、荷電粒子ビームともいう）は、コンデンサレンズ１０４と対物レンズ１０５により収束され、静電チャック１１１上に載置されたウェーハ（試料）１１０を照射され、一次電子線と試料との相互作用により信号電子が放出される。一次電子線は、偏向器１０６により偏向され、ウェーハ１１０の表面に沿って走査される。偏向器１０６による一次電子線の偏向は、偏向器制御部１１５から与えられる信号に従って制御される。

【0018】

一次電子線の照射によりウェーハ１１０から発生した二次電子（信号電子のうち、低エネルギーのものをいう）は、Ｅ×Ｂフィルタ１０８によって二次電子検出器１０７の方向に向けられ、二次電子検出器１０７で検出される。また、ウェーハ１１０からの反射電子（信号電子のうち、高エネルギーのものをいう）は、反射電子検出器１０９によって検出される。なお、光学系の構成は図１の構成に限られず、例えば他のレンズ、電極、検出器を含んでいてもよいし、一部の構成が図１の構成と異なっていてもよい。

【0019】

試料室１０２に設置される可動ステージ１１２は、ステージ制御部１１６から与えられる制御信号に従い、カラム１０１に対してウェーハ１１０の位置をＸＹ面内（水平面内）で移動させる。また、可動ステージ１１２上には、ビーム校正のための標準試料１１３が取り付けられている。また、撮像ツール１２０は、ウェーハアライメントのための光学顕微鏡１１４を有している。二次電子検出器１０７及び反射電子検出器１０９から出力される検出信号は、画像生成部１１７に送られ画像化される。

【0020】

撮像ツール１２０の制御は、コンピュータサブシステム１２１の装置制御部１１９および撮像ツール１２０の各構成要素を制御する制御部（図１中には偏向器制御部１１５、およびステージ制御部１１６が例示される）を介して実行される。すなわち、装置制御部１１９は、各制御部に所定の指令を与え、各制御部はその指令に応答して制御対象である撮像ツール１２０の各構成要素を制御する。

【0021】

コンピュータサブシステム１２１は、演算処理部１１８、入出力部１２２、メモリ１２３、記憶装置１２４を備えている。コンピュータサブシステム１２１は汎用のコンピュータを用いて実現することもできる。演算処理部１１８はＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理を行うプロセッサを備え、入出力部１２２は、マウスやキーボードなど操作者が指示を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を備えている。メモリ１２３はＲＡＭで構成され、プロセッサの命令により、プログラムやプログラムの実行に必要なデータ等を一時的に記憶する。記憶装置１２４は通常、ＨＤＤ、ＳＳＤやＲＯＭ、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリで構成され、演算処理部１１８が実行するプログラムやプログラムが処理対象とするデータ等を記憶する。

【0022】

二次電子検出器１０７及び反射電子検出器１０９からの検出信号は、画像生成部１１７に送られる。画像生成部１１７は、偏向器１０６によりウェーハ１１０上で一次電子線を二次元に走査して得られる検出信号の強度を二次元マッピングして、画像を生成する。画像生成部１１７で生成された画像は、記憶装置１２４に保存される。

【0023】

さらに、コンピュータサブシステム１２１は、撮像ツール１２０が撮像し、記憶装置１２４に格納された画像を用いて、オーバーレイ計測を行うため、パターン位置検出部１２５、プロファイル作成部１２６、パターン推定部１２７、オーバーレイ算出部１２８を備えている。これらのモジュール１２５～１２８が実行する機能の詳細については後述する。

【0024】

ここで、各制御部やモジュール１１７，１１９，１２５～１２８の実装形態は、特に限定されない。例えば、各制御部やモジュールは、演算処理部１１８の備えるプロセッサが実行するソフトウェアとして実装されてもよい。この場合、記憶装置１２４に各制御部やモジュールを実行するためのプログラムを格納しておく。ソフトウェアにより実現する場合には、プログラムが記録された記録媒体を更新することにより、プログラムをアップグレードすることも容易である。また、高速な汎用ＣＰＵを用いる代わりに、マルチプロセッサシステムとして構成し、演算処理部１１８をメインプロセッサで、各制御部やモジュールをサブプロセッサで構成してもよい。または、各制御部やモジュールを専用の回路基板をもつハードウェアとして構成してもよい。処理を実行する複数の演算器は配線基板上、または半導体チップまたはパッケージ内に集積させる。

【0025】

続いて、オーバーレイ計測の対象とする試料の構造について説明する。ここでは、ラインパターンとして形成されるトランジスタやキャパシタなどの半導体素子の電極あるいは配線と当該半導体素子の上層に形成される配線層の配線とを接続するビアの形成工程を例に説明する。ビアを形成するホールパターンと電極あるいは配線を形成するラインパターンとが設計通りの位置関係で形成されていないとビアの接続不良が生じるおそれがある。これにより半導体素子の性能劣化が生じ、さらに電気的コンタクトが取れなくなってしまうと、半導体デバイスが最終的に正常に動作しないおそれもある。そこで、オーバーレイ計測システムを用いて、ビアの形成工程にあるウェーハに対し、重ね合わされたホールパターンとラインパターンとの位置関係が適切か否かの検証を行う。

【0026】

この例では、オーバーレイ計測システムで観察する上層パターンはレジスト層に形成されるホールパターン、下層パターンはウェーハ上に形成されるラインパターンとなる。下層パターンは、上層パターンの直下にある被エッチング膜（有機膜や絶縁膜など）下に形成されたラインパターンとなる。ラインパターンは金属層または半導体層である。

【0027】

有機物（レジスト）である上層パターンの観察には、試料表面の表面形状に敏感な二次電子検出器１０７の検出信号から形成される二次電子像を用いることが望ましい。電子顕微鏡像を得る場合、一般に、観察視野を複数回に亘って一次電子でスキャンし、フレーム画像（１回のスキャンで得られる画像）を積算することで画像を鮮明化することが行われる。画像を鮮明化する観点からは高フレーム像（多数のフレーム画像を積算した像）が望ましいが、この場合はホールパターンが確認できる限りにおいて、できるだけスキャン回数を少なくした低フレーム像を用いることが望ましい。

【0028】

高フレーム像とするとスキャン回数が多くなることにより、オーバーレイ計測システムのスループットが低下する。さらに、上層パターンが形成されるレジストは有機物であるため、一次電子を多量に照射するとシュリンクが生じやすい。このため、スキャン回数はできるだけ少なくすることが望ましい。特に、オーバーレイ計測システムでは下層パターンについても観察が必要であるため、照射する一次電子線の加速電圧を高くすると、一次電子のレジストに対する影響はより大きくなる。

【0029】

一方、下層パターンの観察には、反射電子検出器１０９の検出信号から形成される反射電子像を用いるものとする。高エネルギーの反射電子は、低エネルギーの二次電子よりも下層パターン上に形成された層の影響を大きく受けることなく、反射電子検出器１０９で検出できるためである。また、反射電子の発生量は試料を構成する元素に影響を受け、平均原子番号が大きい程発生量が大きくなるため、ラインパターンが金属を含む場合には、より大きなコントラストを得ることが期待できる。しかしながら、本実施例のオーバーレイ計測システムでは、同じスキャンにより得られる二次電子像及び反射電子像を用いてオーバーレイ計測を行うため、下層パターンの反射電子像も低フレーム像となり、下層パターンの反射電子像のコントラストは低くならざるをえない。

【0030】

図２Ａ，Ｂは、試料をオーバーレイ計測システムのＳＥＭで観察したときの電子顕微鏡像（模式図）である。図２Ａは二次電子像であって、上層パターンであるホールパターンが観察される。二次電子像２００は、ホール内部から放出される二次電子量はレジスト表面から放出される二次電子量よりも少ないため、レジスト上面２０２はホール底面２０１よりも明るく、さらに放出される二次電子量が最も多くなる傾斜面を含むホール側面２０３が最も明るくなっている。このため、比較的低フレームで取得した二次電子像であっても、ホールの位置は特定しやすい。

【0031】

図２Ｂは反射電子像であって、下層パターンであるラインパターンが観察される。ラインとスペースとで形成される凹凸、及びラインを構成する元素とスペースを構成する元素との違いにより、反射電子像２１０には、ラインスペース２１１とスペースパターン２１２との間にコントラストが表れている。しかしながら、下層パターン上に積層されている層の影響がノイズとして現れ、二次電子像２００と同じ低フレームで取得した反射電子像２１０では、ラインスペース２１１とスペースパターン２１２とを識別することが難しい。図２Ｂでは説明のため視認できる程度にラインパターンを強調しているが、実際に取得される低フレームの反射電子像では、ラインとスペースとのコントラスト差を視認することはほぼできない。

【0032】

このように、低フレームで取得した反射電子像からはパターンの幅やエッジといったパターン検出は困難であり、その結果として、低フレームの二次電子像２００と反射電子像２１０とを重ね合わせてみても、上層パターンと下層パターンとの位置ずれを検査することはできない。

【0033】

図３に、本実施例のオーバーレイ計測工程のフローチャートを示す。なお、試料（ウェーハ）の画像取得にあたっては、あらかじめ光学条件などの計測条件をＧＵＩ上で定めておく。ＧＵＩの構成については後述する（図１０）。また、二次電子検出器１０７と反射電子検出器１０９の２つの検出器によって試料表面の上層パターンと被エッチング膜下に形成された下層パターンとをそれぞれ同一座標上で観測できるようにしておく。操作者が手動で合わせてもよいし、オートフォーカス等により自動で合わせてもよい。

【0034】

装置制御部１１９がオーバーレイ計測のシーケンス実行を指示することで処理が開始される。

【0035】

まず、上層パターンと下層パターンを撮像する（Ｓ０１）。上層パターンについては二次電子検出器１０７により二次電子像（図２Ａ参照）を取得し、下層パターンについては反射電子検出器１０９により反射電子像（図２Ｂ参照）を取得し、記憶装置１２４に登録する。撮像にあたり、一次電子線の焦点位置は試料表面に合わせるものとする。このため、ＳＥＭの焦点深度にも依存するが、下層パターンの反射電子像にボケが生じるおそれはある。しかしながら、オーバーレイ計測では上層パターンと下層パターンの相対位置関係を観察するため、多少のエッジのぼけは計測精度には影響しない。

【0036】

また、上述のように撮像時のフレーム数は低フレーム数とする。フレーム数は、操作者が任意に決めてもよいし、以下のようなフレーム数決定処理を利用して自動で決めることもできる。

【0037】

図４に、上層パターン画像に基づき、フレーム数を決定するフローを示す。二次電子像取得のため加算するフレーム数を１フレームずつ増やしながら（Ｓ１１）、取得した二次電子像の評価値を確認する（Ｓ１２，Ｓ１３）。評価値として、例えば、得られた二次電子像の輝度分散値を用いることができる。なお、画像のボケ量を数値的に評価可能なその他の手法を用いてもよい。評価値が閾値以上となったときのフレーム数を、撮像ステップ（Ｓ０１）のフレーム数として採用する（Ｓ１４）。本フローは撮像ステップ（Ｓ０１）の前に実行してもよいし、撮像ステップ（Ｓ０１）において本フローを実行し、フレーム数評価に用いた二次電子像をオーバーレイ計測に用いてもよい。なお、評価値の閾値は、後述する上層パターン画像に対するパターン検出処理においてホールパターンが検出できる程度の値をあらかじめ設定しておく。

【0038】

図５に、下層パターン画像に基づき、フレーム数を決定するフローを示す。反射電子像取得のため加算するフレーム数を１フレームずつ増やしながら（Ｓ２１）、取得した反射電子像から求められるSUMLINEプロファイル（SUMLINEプロファイルについては後述する）の評価値を確認する（Ｓ２２，Ｓ２３）。評価値として、例えば、SUMLINEプロファイルの輝度変化量を用いることができる。なお、SUMLINEプロファイルの変化量を数値的に評価可能なその他の手法を用いてもよい。評価値が閾値以上となったときのフレーム数を、撮像ステップ（Ｓ０１）のフレーム数として採用する（Ｓ２４）。本フローも撮像ステップ（Ｓ０１）の前に実行してもよいし、撮像ステップ（Ｓ０１）において本フローを実行し、フレーム数評価に用いた反射電子像をオーバーレイ計測に用いてもよい。なお、評価値の閾値は、後述する下層パターン画像に対するSUMLINEプロファイル作成時にパターンが分離できる程度の値をあらかじめ設定しておく。

【0039】

図４と図５のフローを同時に実施することもできる。この場合は、図４のフローで得られたフレーム数と図５のフローで得られたフレーム数の大きい方のフレーム数を撮像ステップ（Ｓ０１）のフレーム数として採用する。

【0040】

なお、フレーム画像を積算して電子顕微鏡像を得るにあたり、試料の帯電により像ドリフトが発生する可能性があるため、フレーム間でドリフト量を検出して補正を行った上でフレーム積算を行うことが望ましい。

【0041】

上層パターン画像と下層パターン画像を取得したら、オーバーレイ計測に向けた前処理として、各画像に対して異なる処理を実行する。

【0042】

まず、パターン位置検出部１２５は、上層パターン画像からパターン位置を検出する（Ｓ０２）。図６は、図２Ａに示した二次電子像（上層パターン画像）２００からホールパターンの中心位置６０１を検出した例を示している。上層パターン画像に対して正規化相関によるパターン検出を実行することにより、二次電子像内のパターンおよびパターン中心位置６０１を検出する。パターン検出アルゴリズムは、正規化相関のアルゴリズムに限定されるものではなく、位相限定相関等の公知のアルゴリズムも用いることができる。また、「パターンの中心位置」とは幾何学的な中心位置であっても、重心位置であってもよく、パターン形状から一意に特定される座標位置であればよい。

【0043】

一方、プロファイル作成部１２６は、下層パターン画像からSUMLINEプロファイルを作成する（Ｓ０３）。図７は、プロファイル作成部１２６が、図２Ｂに示した反射電子像（下層パターン画像）２１０に対して実行する画像処理の概要を説明する図である。下層パターン画像２１０は、撮像した画像そのままではＳＮが悪く、ラインパターンが確認できない。そこで、反射電子像のラインパターンの長手方向に沿って輝度情報を加算する（SUMLINE）ことで、輝度情報を平均したSUMLINEプロファイル７０１を算出する。

【0044】

一例として示した下層パターン画像１行分のプロファイル７０２－ｋでは、ラインパターンの輝度値がノイズにより安定しないため、パターンの幅およびエッジ座標位置を特定することが難しい。これに対して、SUMLINEプロファイル７０１では、加算平均処理によってランダムなノイズは低減され、ラインプロファイルの形状がはっきりと再現されることにより、ラインプロファイルの幅やエッジ座標位置を推定することが可能となる。

【0045】

続いて、パターン推定部１２７は、SUMLINEプロファイルから反射電子像に含まれるラインパターンを推定する（Ｓ０４）。推定方法としては、SUMLINEプロファイルの一定輝度値を閾値として定め、閾値として定めた輝度値と交差する点をラインパターンのエッジとして検出する方法が考えられる。ただし、このアルゴリズムに限定されるものではなく、SUMLINEプロファイル７０１の勾配の変化を用いるなど、SUMLINEプロファイルからエッジを検出する他のアルゴリズムを用いてもよい。

【0046】

図８は、SUMLINEプロファイル７０１からラインパターンを推定する処理の概略を説明する図である。この例では、閾値ＢthによりSUMLINEプロファイル上のエッジ座標を求め、エッジ座標を反射電子像の画像行数分引き延ばすことで、推定ラインパターン８０１を生成している。

【0047】

続いて、オーバーレイ算出部１２８では、上層パターン画像から算出した上層パターンの位置情報と、下層パターン画像から推定したラインパターンを用いて検出される下層パターンの位置情報とを同一座標上で比較することにより、オーバーレイ誤差を計測する（Ｓ０５）。

【0048】

図９に、上層パターン画像から算出したホールパターンの中心位置６０１と下層パターンから推定した推定ラインパターン８０１を用いたオーバーレイ計測の様子を示している。 ホールパターン中心位置６０１が、推定ラインパターン８０１の対応するラインパターンの内側に配置されているか、対応するラインパターン中心軸９０１からどれだけずれているか、あるいは対応するラインパターンのエッジ座標からどれだけ外側にずれているか、などのオーバーレイ誤差を計測することで、上層パターンと下層パターンとのオーバーレイ精度を検証することができる。なお、ラインパターン中心軸９０１は推定ラインパターン８０１のエッジ座標から求めることができる。計測したオーバーレイ誤差は、入出力部１２２の表示部などに出力される。

【0049】

図１０に入出力部１２２の表示部に表示されるグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）画面１０００を例示する。ＧＵＩ画面１０００上で設定された装置条件に応じて、オーバーレイ計測システムの走査電子顕微鏡を制御する。

【0050】

ＧＵＩ画面１０００上の設定項目としては、撮像画像サイズ１００１、加速電圧１００２、プローブ電流１００３、積算フレーム数１００４が配置されている。図では、積算フレーム数１００４に数値を指定した例を示しているが、「AUTO」とすることで積算フレーム数を自動設定させることも可能である。

【0051】

また、検出器ごとの設定項目として、二次電子検出器１０７における計測パターン１００５、計測アルゴリズム１００６、計測オプション１００７が配置されている。同様に、反射電子検出器１０９における計測パターン１００８、計測アルゴリズム１００９、計測オプション１０１０が配置されている。

【0052】

以上の例では、上層パターンがホールパターン、下層パターンがラインパターンの例を説明したが、上層パターン、下層パターンともにラインパターンであってもよい。本実施例のSUMLINEプロファイルを用いたラインパターンの推定は、ＳＮの低い電子顕微鏡像に対して適用可能であり、上層パターン、下層パターンのいずれに対しても適用でき、二次電子像、反射電子像のいずれに対しても適用できる。上層パターン、下層パターンともにラインパターンの場合には、両方のラインパターンに対してSUMLINEプロファイルを用いたラインパターンの推定を行うことも可能である。

【0053】

このため、検出器ごとに計測パターン（１００５，１００８）、計測アルゴリズム（１００６，１００９）、計測オプション（１００７，１０１０）が設定可能とされている。

【0054】

計測パターン（１００５，１００８）にて、検出器ごとにどのようなパターンを検出するかを選択する。ラインパターン（Line & Space）、ホールパターン（Hole）以外のパターンを追加してもよい。パターンに応じて計測アルゴリズム、計測オプションでの設定項目は変化することがある。

【0055】

計測アルゴリズム（１００６，１００９）にて、検出器ごとにどのような前処理を実施してパターン検出するかを選択する。アルゴリズムが「Sum Line」である場合は、パターン検出前に図７に示したSUMLINE処理を実施し、図８に示した推定パターン画像を作成する。パターン検出は、推定パターン画像を用いて行う。一方、アルゴリズムを「Detection of pattern center」とした場合は、前処理はせずに電子顕微鏡像に対してパターン検出を実施する。計測アルゴリズムについても、必要に応じて他の処理を追加してもよい。例えば、一般的な平滑化フィルタを用いたノイズ除去フィルタを前処理として実行してからパターン検出するような項目を追加してもよい。

【0056】

計測アルゴリズムによってはさらなる設定事項の設定が必要となる場合がある。このような場合、計測オプション（１００７，１０１０）を設定する。例えば、計測アルゴリズムが「Sum Line」である場合、計測オプションにて加算を行う方向を設定することにより、ラインパターンの長手方向にかかわらず、適切なSUMLINEプロファイルが取得可能になる。

【実施例2】

【0057】

実施例１においては、撮像ツール１２０によりウェーハ（試料）１１０を撮像した電子顕微鏡像に対してオーバーレイ計測を行うことができるので、オンラインでオーバーレイ計測が行える。これに対して、実施例２では、すでに取得済みの画像に対して、オフラインでオーバーレイ計測を行う。実施例２では、撮像ツール１２０で撮像された電子顕微鏡像は画像保存部１１１０に蓄積されている。画像保存部１１１０はデータサーバで実現できる。コンピュータシステム（オーバーレイ計測装置）１１０１は、画像保存部１１１０にアクセスし、蓄積された画像に対してパターンのオーバーレイ計測を行う。

【0058】

図１１に、オーバーレイ計測装置１１０１の概略構成を示す。なお、実施例１と同様の機能を有するブロックやモジュールについては同じ符号を付して重複する説明は省略する。オーバーレイ計測装置１１０１は、演算処理部１１８、入出力部１２２、メモリ１２３、記憶装置１２４、パターン位置検出部１２５、プロファイル作成部１２６、パターン推定部１２７、オーバーレイ算出部１２８を有している。

【0059】

オーバーレイ計測装置１１０１は、入出力部１２２からオーバーレイ計測の指示を受けて、画像保存部１１１０から画像を読み込み、図３のＳ０２以降の処理を実行することで、実施例１と同一の処理が可能となる。

【0060】

以上の実施例は、本発明を分かりやすく説明するため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、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。さらに、実施例において、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、製品に搭載されている全ての制御線や情報線を必ずしも示しているわけではない。また、オーバーレイ計測の対象とする試料も実施例記載のものに限定されるものではない。

【0061】

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格納しておくことができる。

【符号の説明】

【0062】

１００…オーバーレイ計測システム、１０１…カラム、１０２…試料室、１０３…電子銃、１０４…コンデンサレンズ、１０５…対物レンズ、１０６…偏向器、１０７…二次電子検出器、１０８…Ｅ×Ｂフィルタ、１０９…反射電子検出器、１１０…ウェーハ（試料）、１１１…静電チャック、１１２…可動ステージ、１１３…標準試料、１１４…光学顕微鏡、１１５…偏向器制御部、１１６…ステージ制御部、１１７…画像生成部、１１８…演算処理部、１１９…装置制御部、１２０…撮像ツール、１２１…コンピュータサブシステム（オーバーレイ計測装置）、１２２…入出力部、１２３…メモリ、１２４…記憶装置、１２５…パターン位置検出部、１２６…プロファイル作成部、１２７…パターン推定部、１２８…オーバーレイ算出部、２００…二次電子像、２１０…反射電子像、７０１…SUMLINEプロファイル、８０１…推定ラインパターン、１０００…ＧＵＩ画面、１１１０…画像保存部、１１０１…コンピュータシステム（オーバーレイ計測装置）。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】