(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数回の露光工程により回路パターンが形成されている半導体デバイスのオーバーレイを計測する方法であって、
該半導体デバイスの複数の領域の画像を撮像する撮像ステップと、
前記撮像ステップにて撮像された複数の撮像画像から基準画像を設定する基準画像設定ステップと、
前記基準画像設定ステップにて設定した基準画像と前記撮像ステップにて撮像された該複数の撮像画像の差異を定量化する差異定量化ステップと、
前記差異定量化ステップにて定量化した差異をもとにオーバーレイを算出するオーバーレイ算出ステップと、を備えることを特徴としたオーバーレイ計測方法。
【請求項２】
請求項１記載のオーバーレイ計測方法であって、
前記差異定量化ステップでは、該基準画像と該複数の撮像画像との回路パターンの位置ずれ量を、各露光により形成される回路パターン別に定量化し、
前記オーバーレイ算出ステップでは、各露光により形成される回路パターン別に位置ずれ量を算出することを特徴としたオーバーレイ計測方法。
【請求項３】
請求項２記載のオーバーレイ計測方法であって、
さらに、前記撮像ステップにて撮像された複数の撮像画像のうち、該半導体デバイスに形成された第１〜第ｍの露光による回路パターン領域を各々認識する回路パターン認識ステップを有し、
前記差異定量化ステップでは、前記基準画像設定ステップにて設定した基準画像と前記回路パターン認識ステップにて認識した回路パターン領域に対応する複数の画像との位置ずれ量を算出し、
前記オーバーレイ算出ステップでは、前記差異定量化ステップにて算出した位置ずれ量の差分をオーバーレイとして算出することを特徴としたオーバーレイ計測方法。
【請求項４】
請求項２記載のオーバーレイ計測方法であって、
前記差異定量化ステップは、前記基準画像設定ステップにて設定された基準画像に基づき、第ｐ以降の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した第１の画像と、第（ｐ−１）以前の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した第２の画像とを作成するステップと、
前記撮像ステップにて撮像された複数の画像に基づき、第ｐ以降の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した第３の画像と、第（ｐ−１）以前の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した第４の画像とを作成するステップと、
該第１の画像と該第３の画像との位置ずれ量（ｄｕｘ、ｄｕｙ）と、該第２の画像と該第４の画像の位置ずれ量（ｄｌｘ、ｄｌｙ）とを算出するステップと、を備え、
前記オーバーレイ算出ステップは、該ｄｕｘと該ｄｌｘの差分をx方向のオーバーレイｄｘ、
該ｄｕｙと該ｄｌｙの差分をｙ方向のオーバーレイｄｙとして算出することを特徴としたオーバーレイ計測方法。
【請求項５】
請求項１記載のオーバーレイ計測方法であって、
前記差異定量化ステップでは、該基準画像と該複数の画像における対応画素との濃淡差が所定の値より大きい箇所を差異部として検出し、該差異部の外観を特徴量として定量化し、
前記オーバーレイ算出ステップでは、前記差異定量化ステップにて定量化した特徴量を回帰モデルに代入することでオーバーレイを算出することを特徴としたオーバーレイ計測方法。
【請求項６】
請求項５に記載のオーバーレイ計測方法であって、
前記撮像ステップでは、第１の画素サイズと第２の画素サイズで該半導体デバイスの複数の領域の画像を撮像し複数の画像を得、
前記差異定量化ステップでは、該複数の画像のうち該第１の画素サイズで撮像された画像を用いて差異部の特徴量を算出し、
前記オーバーレイ算出ステップでは、該複数の画像のうち該第２の画素サイズで撮像された画像を用いてオーバーレイを計測し、
さらに、差異部の特徴量とオーバーレイの回帰モデルを作成するステップを備えることを特徴としたオーバーレイ計測方法。
【請求項７】
請求項１に記載のオーバーレイ計測方法であって、
前記撮像ステップでは、第１の画素サイズで該半導体デバイスの複数の領域の画像を撮像し複数の画像を得、
前記オーバーレイ算出ステップでは、該第１の画素サイズの複数の画像からオーバーレイを計測し、
さらに、前記オーバーレイ算出ステップにて算出したオーバーレイをしきい値と比較するステップと、
第２の画素サイズで該半導体デバイスの複数の領域の画像を撮像し複数の画像を得る第２の撮像ステップと、
前記第２の撮像ステップにて撮像した第２の画素サイズの複数の画像からオーバーレイを計測するステップと、を備えることを特徴としたオーバーレイ計測方法。
【請求項８】
複数回の露光工程により回路パターンが形成されている半導体デバイスのオーバーレイを計測する装置であって、
該半導体デバイスの複数の領域の画像を撮像する撮像部と、
前記撮像部にて撮像された複数の撮像画像から基準画像を設定する基準画像設定部と、
前記基準画像設定部にて設定した基準画像と前記撮像部にて撮像された該複数の撮像画像の差異を定量化する差異定量化部と、
前記差異定量化部にて定量化した差異をもとにオーバーレイを算出するオーバーレイ算出部と、を備えることを特徴としたオーバーレイ計測装置。
【請求項９】
請求項８記載のオーバーレイ計測装置であって、
前記差異定量化部では、該基準画像と該複数の撮像画像との回路パターンの位置ずれ量を、各露光により形成される回路パターン別に定量化し、
前記オーバーレイ算出部では、各露光により形成される回路パターン別に位置ずれ量を算出することを特徴としたオーバーレイ計測装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のオーバーレイ計測装置であって、
さらに、前記撮像部にて撮像された複数の撮像画像のうち、該半導体デバイスに形成された第１〜第ｍの露光による回路パターン領域を各々認識する回路パターン認識部を有し、
前記差異定量化部では、前記基準画像設定部にて設定した基準画像と前記回路パターン認識部にて認識した回路パターン領域に対応する複数の画像との位置ずれ量を算出し、
前記オーバーレイ算出部では、前記差異定量化部にて算出した位置ずれ量の差分をオーバーレイとして算出することを特徴としたオーバーレイ計測装置。
【請求項１１】
請求項９記載のオーバーレイ計測装置であって、
前記差異定量化部は、前記基準画像設定部にて設定された基準画像に基づく第ｐ以降の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した第１の画像および第（ｐ−１）以前の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した第２の画像を作成し、前記撮像部にて撮像された複数の画像に基づく第ｐ以降の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した第３の画像および第（ｐ−１）以前の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した第４の画像を作成し、さらに、該第１の画像と該第３の画像との位置ずれ量（ｄｕｘ、ｄｕｙ）と、該第２の画像と該第４の画像の位置ずれ量（ｄｌｘ、ｄｌｙ）とを算出し、
前記オーバーレイ算出部は、該ｄｕｘと該ｄｌｘの差分をx方向のオーバーレイｄｘ、および
該ｄｕｙと該ｄｌｙの差分をｙ方向のオーバーレイｄｙとして算出することを特徴としたオーバーレイ計測装置。
【請求項１２】
請求項８に記載のオーバーレイ計測装置であって、
前記差異定量化部では、該基準画像と該複数の画像における対応画素との濃淡差が所定の値より大きい箇所を差異部として検出し、該差異部の外観を特徴量として定量化し、
前記オーバーレイ算出部では、前記差異定量化部にて定量化した特徴量を回帰モデルに代入することでオーバーレイを算出することを特徴としたオーバーレイ計測装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のオーバーレイ計測装置であって、
前記撮像部では、第１の画素サイズと第２の画素サイズで該半導体デバイスの複数の領域の画像を撮像し複数の画像を得、
前記差異定量化部では、該複数の画像のうち該第１の画素サイズで撮像された画像を用いて差異部の特徴量を算出し、
前記オーバーレイ算出部では、該複数の画像のうち該第２の画素サイズで撮像された画像を用いてオーバーレイを計測し、
さらに、差異部の特徴量とオーバーレイの回帰モデルを作成する回帰モデル作成部を備えることを特徴としたオーバーレイ計測装置。
【請求項１４】
請求項８乃至１３のいずれかに記載のオーバーレイ計測装置を備え、
さらに、前記撮像部にて撮像された該半導体デバイスの画像を処理する画像処理部を備える走査型電子顕微鏡。
【請求項１５】
複数回の露光工程により回路パターンが形成されている半導体デバイスを撮像して得た複数の撮像画像のうち少なくとも一つの撮像画像を表示する撮像画像表示部と、
該複数の撮像画像から設定した基準画像を表示する基準画像表示部と、
該基準画像と該複数の撮像画像とを用いて得た該基準画像と該複数の撮像画像との差異に基づき算出したオーバーレイを表示するオーバーレイ表示部と、を備えるＧＵＩ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオーバーレイ計測方法、計測装置、走査型電子顕微鏡およびＧＵＩに関するものであって、より詳細には荷電粒子顕微鏡を用いて撮像した画像を用いてオーバーレイを計測する方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に半導体製品は、動作に必要な回路パターンを形成するために複数回の露光工程が必要である。例えば、複数層の回路パターンからなる半導体製品の製造では、各層の回路パターンを形成するための露光工程のほか、各層を接続するホールを形成するための露光工程が必要となる。また、近年では微細な回路パターンを密度高く形成するためにダブルパターニングが行われている。
【０００３】
半導体製造においては、複数回の露光工程により形成される回路パターンの位置を許容される範囲内に合わせることが重要となる。許容範囲内に収まらない場合、適切な電気特性が得られず、歩留まりが低下する。そのため、露光間の回路パターンの合わせずれ（オーバーレイ）を計測し、露光装置にフィードバックする事が行われている。
【０００４】
オーバーレイ計測を行うための方法として、ウェハ上に計測用の回路パターンを形成し、光学顕微鏡を用いて計測用パターンの画像を撮像し、画像から得られる信号波形からオーバーレイ計測を行う方法がＵＳ７１８１０５７（特許文献１）に記載されている。計測用パターンは数十μｍ程度の大きさが必要であるため、半導体ダイ周辺のスクライブライン上に形成されるのが一般的である。そのため、実際のデバイスの回路パターン（実パターン）が形成される場所におけるオーバーレイを直接計測することはできず、補間などにより推定する必要がある。しかし、近年の半導体プロセスの微細化に伴い、オーバーレイの許容範囲も小さくなっており、必要な計測精度を得ることが困難となっている。
【０００５】
走査型電子顕微鏡を用いて実パターンの画像を撮像し、オーバーレイを計測する手法が特開２００６−３５１８８８（特許文献２）および特開２０１１−１４２３２１（特許文献３）に記載されている。特許文献２には撮像画像から抽出された回路パターンの輪郭情報と、半導体製品の設計情報（ＣＡＤデータ）を比較することによりオーバーレイを計測する手法が記載されている。また、特許文献３では第１の露光により形成される回路パターンと、第２の露光により形成される回路パターンの相対的位置を算出し、相対的位置をＣＡＤデータより得られる基準値と比較することによりオーバーレイを計測する手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＵＳ７１８１０５７
【特許文献２】特開２００６−３５１８８８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１４２３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のとおり、前記特許文献１に記載のオーバーレイ計測手法では実パターン上におけるオーバーレイを計測することが不可能である。この問題を解決する方法として前記特許文献２および特許文献３には実パターンを撮像した画像を用いてオーバーレイを計測する手法が記載されている。しかし、特許文献２に記載のオーバーレイ計測手法は、ＣＡＤデータが必要となる。一般的に半導体製品のＣＡＤデータは数ＧＢにおよび、準備や取扱いなどに労力を要する。また、ウェハ上に形成される回路パターン形状とＣＡＤデータ内の回路パターン形状は乖離しているのが一般的であるため、乖離が大きい場合には正しいオーバーレイを計測することが困難と予想される。また、特許文献３に記載のオーバーレイ計測は、回路パターンの相対位置を算出しており、回路パターンの形成不良などにより回路パターンの一部が消失した場合などに正しいオーバーレイを算出不可能と予想される。また、算出された相対位置を基準値と比較する必要があり、基準値を予めＣＡＤデータなどを用いて算出しておく必要がある。
【０００８】
以上のように、先行技術では簡便かつ頑健にオーバーレイを計測することが困難である。そこで本発明は、ＣＡＤデータを必要とせず簡便かつ頑健にオーバーレイを計測するオーバーレイ計測方法および計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【００１０】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、半導体デバイスの複数の領域の画像を撮像する撮像ステップと、前記撮像ステップにて撮像された複数の撮像画像から基準画像を設定する基準画像設定ステップと、前記基準画像設定ステップにて設定した基準画像と前記撮像ステップにて撮像された該複数の撮像画像の差異を定量化する差異定量化ステップと、前記差異定量化ステップにて定量化した差異をもとにオーバーレイを算出するオーバーレイ算出ステップを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、撮像画像以外のＣＡＤデータの取扱いや相対位置の基準値の入力などを不要とし、簡便かつ頑健に実パターン上におけるオーバーレイを計測するオーバーレイ計測方法および計測装置を提供することができる。
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るオーバーレイ計測装置を備えた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成図である。
【図２】本発明に係るオーバーレイ計測装置の制御部記憶部および演算部の構成図である。
【図３】チップ座標系とウェハ座標系を表した図である。
【図４】計測するオーバーレイに関する説明図である。
【図５】オーバーレイ計測対象の画像と断面構造の例を表した図である。
【図６】本発明に係るオーバーレイ計測方法のフローを表した図である。
【図７】本発明に係る画像撮像処理のフローを表した図である。
【図８】本発明に係る画像差異定量化部とオーバーレイ算出部の構成を表した図である。
【図９】基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理フローである。
【図１０】オーバーレイ計測対象の画像例である。
【図１１】基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理の途中結果を表した図である。
【図１２】基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理の途中結果を表した図である。
【図１３】画像から回路パターン領域を認識する処理フローである。
【図１４】画像のヒストグラムの例である。
【図１５】計測座標を設定するインターフェースの一例を表した図である。
【図１６】計測条件を設定するインターフェースの一例を表した図である。
【図１７】計測結果を表示するインターフェースの一例を表した図である。
【図１８】本発明に係る画像差異定量化部の構成を表した図である。
【図１９】本発明に係る基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理フローである。
【図２０】基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理の途中結果を表した図である。
【図２１】回路パターン領域を指定するインターフェースの一例を表した図である。
【図２２】本発明に係るオーバーレイ計測装置の記憶部および演算部の構成図である。
【図２３】本発明に係る画像差異定量化部とオーバーレイ算出部の構成を表した図である。
【図２４】本発明に係る基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理フローである。
【図２５】回帰モデルの一例を表した図である。
【図２６】回帰モデルを作成する処理フローである。
【図２７】回帰モデル作成に用いる画像を取得する処理フローである。
【図２８】本発明に係る回帰モデル算出部の構成図である。
【図２９】差異部の特徴量をオーバーレイの関係をプロットした結果例である。
【図３０】計測結果を表示するインターフェースの一例を表した図である。
【図３１】本発明に係るオーバーレイ計測処理のフローを表した図である。
【図３２】処理パラメータを調整するインターフェースの一例を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１４】
以下に、本発明に関わるオーバーレイ計測装置および計測方法について説明する。本実施例ではオーバーレイ計測手段を備えた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像した画像を用いてオーバーレイ計測を行う場合を対象に説明するが、本発明に関わる撮像装置はＳＥＭ以外でも良く、イオンなどの荷電粒子線を用いた撮像装置でも良い。
【００１５】
図１は本発明に係るオーバーレイ計測装置を備えた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成図を表しており、被検査対象物の画像の撮像を行うＳＥＭ１０１と、全体の制御を行う制御部１０２、画像撮像結果などを磁気ディスクや半導体メモリなどに記憶する記憶部１０３、プログラムに従い演算を行う演算部１０４、装置に接続された外部の記憶媒体との間で情報の入出力を行う外部記憶媒体入出力部１０５、ユーザとの情報の入出力を制御するユーザインターフェース部１０６、ネットワークを介して他の装置などと通信を行うネットワークインターフェース部１０７を備えてなる。
また、ユーザインターフェース部１０６には、キーボードやマウス、ディスプレイなどから構成される入出力端末１１３が接続されている。
ＳＥＭ１０１は、試料ウェハ１０８を搭載する可動ステージ１０９、試料ウェハ１０８に電子ビームを照射するため電子源１１０、試料ウェハから発生した２次電子や反射電子などを検出する検出器１１１の他、電子ビームを試料上に収束させる電子レンズ（図示せず）や、電子ビームを試料ウェハ上で走査するための偏向器（図示せず）や、検出器１１１からの信号をデジタル変換してデジタル画像を生成する画像生成部１１２等を備えて構成される。なお、これらはバス１１４を介して接続され、相互に情報をやり取りすることが可能である。
【００１６】
図２は、図１に示した本発明に係るオーバーレイ計測装置を備えた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の制御部１０２、記憶部１０３および演算部１０４の詳細な構成を示す図である。
【００１７】
制御部１０２は、ウェハの搬送を制御するウェハ搬送制御部２０１、ステージの制御を行うステージ制御部２０２、電子ビームの照射位置を制御するビームシフト制御部２０３、電子ビームの走査を制御するビームスキャン制御部２０４を備えてなる。
記憶部１０３は、取得された画像データを記憶する画像記憶部２０５、撮像条件（例えば、加速電圧やプローブ電流、加算フレーム数、撮像視野サイズなど）や処理パラメータなどを記憶するレシピ記憶部２０６、計測する箇所の座標を記憶する計測座標記憶部２０７を備えてなる。
演算部１０４は、撮像画像をもとに基準画像を合成する基準画像合成部２０８、基準画像と被計測画像の差異を定量化する画像差異定量化部２０９、オーバーレイを算出するオーバーレイ算出部２１０、画像処理部２１１を備えてなる。
なお、２０８〜２１０は各演算を行うように設計されたハードウェアとして構成されても良いほか、ソフトウェアとして実装され汎用的な演算装置（例えばＣＰＵやＧＰＵなど）を用いて実行されるように構成されていても良い。
【００１８】
次に、指定された座標の画像を取得するための方法を説明する。まず、計測対象となるウェハ１０８は、ウェハ搬送制御部２０１の制御によりロボットアームが動作しステージ１０９の上に設置される。つぎに、撮像視野がビーム照射範囲内に含まれるようにステージ制御部２０２によりステージ１０９が移動される。この時、ステージの移動誤差を吸収するため、ステージ位置の計測が行われ、ビームシフト制御部２０３により移動誤差を打ち消す様にビーム照射位置の調整が行われる。電子ビームは電子源１１０から照射され、ビームスキャン制御部２０４により撮像視野内において走査される。ビームの照射によりウェハから生じる２次電子や反射電子は検出器１１１により検出され、画像生成部１１２を通してデジタル画像化される。撮像された画像は撮像条件や撮像日時などの付帯情報とともに画像記憶部２０５に記憶される。
【００１９】
ここで、本発明によるオーバーレイ計測の入力のひとつとなる計測座標について説明する。図３は、半導体ウェハ上のチップ３０１座標系とウェハ３０２座標系を表した図である。
チップ座標系とはチップ上の一点を原点とした座標系であり、ウェハ座標系とはウェハ上の一点を原点とした座標系である。通常、ウェハにはチップが複数レイアウトされており、位置（ｕ、ｖ）にあるチップにおける、チップ座標（ｃｘ、ｃｙ）とウェハ座標（ｘ、ｙ）の関係は数１で表されるため、相互の変換は容易に行える。ただし、Ｗ、Ｈは１チップの幅と高さ、ｏｘ、ｏｙはｘ座標とｙ座標のオフセットを表す。
そのため、ユーザはオーバーレイ計測対象のチップ座標と、計測対象チップを指定すれば良い。例えば、チップ座標をｎ点、計測対象チップをｍ箇所指定した場合、計測座標はｎ×ｍ点得られる。本実施例に係るオーバーレイ計測手法は同一のチップ座標をもつ画像を１グループとして扱う。画像をグルーピングするため、画像撮像時において画像の付帯情報としてチップ座標ごとに割り当てた位置ＩＤを付与する（先ほどの例で言えば、位置ＩＤ：１〜ｎ） 
【００２０】
（数１）
x =u × W + cx + ox、  y = v × H + cy + oy  
【００２１】
図４は、計測するオーバーレイに関する説明図である。図４を用いて、本発明で計測するオーバーレイについて説明する。
ＳＥＭ画像４０１は４０２に示す断面形状を持つ回路パターンを撮像したＳＥＭ画像の模式図である。本例の回路パターンは下地４０３の上に第１の露光により回路パターン４０４が形成された後、第２の露光により回路パターン４０５が形成されている。
ＳＥＭ画像４０６は半導体ウエハ上のＳＥＭ画像４０１とは異なる箇所を撮像したものである。同様に、下地４０８の上に第１の露光により回路パターン４０９が形成された後、第２の露光により回路パターン４１０が形成されている。
ただし、ＳＥＭ画像４０６を撮像した箇所においては、ＳＥＭ画像４０１を撮像した箇所と比較し、第２の露光により形成される回路パターン４１０がｘ方向にｄｘ（４１２）ずれている様子を表している。本実施例に係る手法では、任意の画像（例えばＳＥＭ画像４０１）を基準画像、任意の画像（例えばＳＥＭ画像４０６）を被計測画像とした場合に、被計測画像における回路パターンの形成位置と、基準画像における回路パターンの形成位置との差異を、各露光により形成される回路パターンごとに独立に定量化することによりオーバーレイを計測する。
図４は、第１の露光により形成された回路パターンを基準パターンとして第２の露光におけるオーバーレイを計測した例を表しているが、第２の露光により形成された回路パターンを基準パターンとしても良い。この場合は、ずれ量の大きさは変わらないが、算出される値の正負の符号が反転する。なお、ここでの第ｎの露光とはｎ回目の露光とは限らず、単に露光工程の違いを表すインデックスであり、以降ｎを露光インデックスと記載する。また、「露光により形成される回路パターン」とは、露光工程のみにより形成される回路パターンに限定されるわけではなく、露光工程後のエッチング工程なども含めて形成される回路パターンを指す。
【００２２】
図５は、オーバーレイ計測対象の画像と断面構造の例を表した図である。図４に示した以外のオーバーレイ計測対象の例を示す。
５０１〜５０５はＳＥＭ画像と断面構造を模式的に表したものである。
５０１は、第１の露光により形成された回路パターン５０６と、第２の露光により形成された回路パターン５０７が積層されている様子を表している。
５０２も同様に、第１の露光により形成された回路パターン５０８と、第２の露光により形成された回路パターン５０９が積層されている様子を表している。
また、５０３は第１の露光により形成された回路パターン５１０の上に、膜５１１と第２の露光により形成された回路パターン５１２が積層されている様子を表している。このように第１の露光により形成された回路パターンの上に膜が積層されている場合においてもＳＥＭの加速電圧を調整することで第１の露光により形成された回路パターン５１０の形状を観察することが可能である。
【００２３】
５０４はダブルパターニングにより形成された回路パターンを表している。ダブルパターニングは第１の露光により回路パターン５１３を形成し、第２の露光により回路パターン５１４を形成することで回路パターンを密度高く形成する技術である。
５０５はホール工程の画像を表しており、第２の露光により形成された回路パターン５１６の開口部から、第１の露光により形成された回路パターン５１５が観察されている様子を表している。
いずれの場合においても、第１の露光により形成される回路パターンと、第２の露光により形成される回路パターンのオーバーレイ計測が重要である。なお、本実施例によってオーバーレイ計測可能となる回路パターンの構造はこれらに限ったものではない。例えば、計３回の露光により形成される回路パターンが観察される画像においては、各露光間におけるオーバーレイを計測することが可能である。
【００２４】
図６は、本発明に係るオーバーレイ計測方法のフロー図、図７は、本発明に係るオーバーレイ計測方法のフローにおける被計測画像の画像撮像処理ステップ（Ｓ６０１）の詳細なフロー図である。
まず、計測箇所の画像（被計測画像）を図７に示したフローに従って取得する（Ｓ６０１）。被計測画像の取得後、位置ＩＤごとに処理を行うため、同一の位置ＩＤをもつ画像を抽出する（Ｓ６０２）。なお、位置ＩＤごとの処理順序は任意に設定されても良いし、ユーザが指定した位置ＩＤの画像のみについて処理するようにしても良い。抽出された画像はチップ座標が同じため、同様の回路パターンが撮像されている。これらの被計測画像をもとに基準画像を設定する（Ｓ６０３）。基準画像は被計測画像の中からユーザが選択しても良いし、基準画像合成部２０８を用いて被計測画像から基準画像を合成しても良い。合成する方法としては例えば、画像の位置合わせをした後、対応する画素の平均濃淡値を合成画像の濃淡値とすれば良い。また、基準画像設定時に、基準パターンの露光インデックスを指定しても良い。
基準画像設定後、被計測画像と基準画像の差異を定量化し（Ｓ６０４）、定量化結果をもとにオーバーレイを算出する（Ｓ６０５）。以上の処理Ｓ６０４〜Ｓ６０５をすべての抽出画像について完了するまで繰り返し行う（Ｓ６０６）。そして、処理Ｓ６０２〜Ｓ６０６を対象の位置ＩＤについて完了するまで繰り返し行う（Ｓ６０７）。以降において処理Ｓ６０１とＳ６０４、Ｓ６０５の詳細について説明する。
【００２５】
図７を用いて被計測画像の取得処理（Ｓ６０１）について説明する。
まず、計測対象のウェハ１０８をステージ１０９上にロードし（Ｓ７０１）、ウェハに対応したレシピをレシピ記憶部２０６から読み込む（Ｓ７０２）。次に、計測座標を計測座標記憶部２０７から読み込む（Ｓ７０３）。座標読み込み後（もしくは並行して）、ウェハアライメントを行う（Ｓ７０４）。ウェハアライメント後、前述の方法によりＳＥＭ１０１を制御し、指定した座標の画像を撮像する（Ｓ７０５）。この時、撮像した画像には位置ＩＤを付帯情報として付与する。全ての撮像が完了するまで繰り返し行い（Ｓ７０６）、最後にウェハをアンロード（Ｓ７０７）する。
【００２６】
次に、図９乃至１２を用いて、被計測画像と基準画像の差異を定量化する処理（Ｓ６０４）について説明する。図９は基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理フローの説明図、図１０はオーバーレイ計測対象の画像例、図１１および図１２は基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理の途中結果を表した図である。
本処理は画像差異定量化部２０９を用いて行われる。図８の８０１は本実施例に係る画像差異定量化部の構成を示したものであり、図２の２０９に対応する。また、図９は画像差異定量化部２０９を用いて基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理のフローである。本処理では基準画像を入力８０２、被計測画像を入力８０３とする。以降、説明のための画像例として図１０に示した基準画像１００１と被計測画像１００２を用いる。
【００２７】
まず、回路パターン領域認識部８０４を用いて、基準画像を対象に各露光により形成される回路パターン領域を認識する（Ｓ９０１）。図１１は処理結果例を示したものであり、画像１１０１は基準画像１００１の回路パターン領域を認識した結果例である。次に、濃淡値抽出部８０５を用いて、回路パターン領域の認識結果をもとに、基準画像から第ｐ以降の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した画像ＢＵ（８０６）を作成し（Ｓ９０２）、基準画像から第ｐ−１以前の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した画像ＢＬ（８０７）を作成する（Ｓ９０３）。画像ＢＵと画像ＢＬの例をそれぞれ画像１１０２と画像１１０３に示す。
被計測画像についても同様に回路パターン領域の認識を行い（Ｓ９０５）、被計測画像から第ｐ以降の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した画像ＴＵ（８０８）を作成し（Ｓ９０５）、被計測画像から第ｐ−１以前の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した画像ＴＬ（８０９）を作成する（Ｓ９０６）。なお、ｐはユーザから指定されるパラメータであり、回路パターンを露光インデックスで分割する際のしきい値である。例えば、ｐ＝３とすると第３以降の露光により形成される回路パターンと、第２以前の露光により形成される回路パターンのオーバーレイが計測される。
被計測画像における回路パターン領域の認識結果例を画像１１０４に、画像ＴＵと画像ＴＬの例をそれぞれ画像１１０５と画像１１０６に示す。次に、テンプレートマッチング部８１０を用いて、画像ＢＵ（８０６）と画像ＴＵ（８０８）の位置合わせを行い、ｘ方向のずれ量ｄｕｘ（８１２）と、ｙ方向のずれ量ｄｕｙ（８１３）を出力する（Ｓ９０７）。同様に、画像ＢＬ（８０７）と画像ＴＬ（８０９）の位置合わせを行い、ｘ方向のずれ量ｄｌｘ（８１４）とｙ方向のずれ量ｄｌｙ（８１５）を出力する（Ｓ９０８）。
【００２８】
図１２はテンプレートマッチングの結果例を示しており、ずれ量ｄｕｘとｄｕｙはそれぞれ１２０３と１２０４、ずれ量ｄｌｘとｄｌｙはそれぞれ１２０７と１２０８に対応する。なお、メモリセル部のように同じ形状の回路パターンが繰り返し形成されている場合においては、マッチングする箇所が複数存在する。そのため、画像ＢＵと画像ＴＵのテンプレートマッチングと、画像ＢＬと画像ＴＬのテンプレートマッチングを独立に行うと不整合が発生する場合がある。この問題を解決するためには、テンプレートマッチング部８１９を用いて基準画像と被計測画像を大まかに位置合わせしておき、そのマッチング位置８２０を中心に、テンプレートマッチング部８１０にてテンプレートマッチングをするようにすればよい。
【００２９】
以上は、ｐを基準に回路パターン領域を２グループに分割する方法を示したが、第１〜ｍの露光パターンについて独立に良品画像と被計測画像間での位置ずれ量を算出しても良い。
【００３０】
次に、オーバーレイ算出処理（Ｓ６０５）について説明する。本処理はオーバーレイ算出部２１０を用いて行われる。図８のオーバーレイ算出部８１１は図２の本実施例に係るオーバーレイ算出部２１０の構成を示したものである。本処理の入力は画像差異定量化部の出力である第ｐ以降の露光により形成された回路パターンのずれ量（ｄｕｘ８１２、ｄｕｙ８１４）と、第ｐ−１以前の露光により形成された回路パターンのずれ量（ｄｌｘ８１３、ｄｌｙ８１５）である。本処理では減算部８１６を用いて数２によりｘ方向のオーバーレイｄｘ（８１７）を算出し、数３によりｙ方向のオーバーレイｄｙ（８１８）を算出する。なお、以上は第ｐ−１以前の露光により形成される回路パターンを基準パターンとした場合の計算方法であり、第ｐ以降の露光により形成される回路パターンを基準パターンとする場合には、数２、数３により算出された値の正負を反転させれば良い。
（数２）
ｄｘ＝ｄｕｘ−ｄｌｘ
（数３）
ｄｙ＝ｄｕｙ−ｄｌｙ
ここで、回路パターン領域認識部８０４における認識処理について説明する。半導体製造工程は多数の工程から成り立っており、工程や製品の違いにより取得される画像の外観は様々である。回路パターン領域を認識するにあたり、最も処理が容易なのは、回路パターン領域の濃淡値が回路パターンを形成した露光工程ごとに異なる場合である。例えば第１の露光により形成される回路パターンと第２の露光により形成される回路パターンの材料が異なる場合、発生する２次電子数や反射電子数が異なるため濃淡値に違いが生じる。また、第２の露光により形成される回路パターンが第１の露光により形成される回路パターンの上に積層されている場合などは、発生した２次電子や反射電子の検出率の違いにより濃淡値に違いが生じる場合がある。
【００３１】
図１３は回路パターン領域の濃淡値が回路パターンを形成した露光工程ごとに異なる画像を対象とした認識処理のフローである。まず、画像に対してノイズ除去などの前処理を行う（Ｓ１３０１）。次に、画像のヒストグラムを作成する（Ｓ１３０２）。作成したヒストグラムにおいては図１４に示すように、露光インデックスに応じた複数の分布が混在して観察される。このヒストグラムから各分布を分離するしきい値を算出する（Ｓ１３０３）。次に、画像中の各画素について濃淡しきい値を適用し、画素ごとに露光インデックスを認識する（Ｓ１３０４）。各画素に独立にしきい値を適用した後では、ノイズなどの影響により微小な誤認識領域が発生する場合がある。そこで、膨張・縮退処理などを行い領域を整形する（Ｓ１３０５）。
なお、回路パターン領域の認識手法は図１３に示した方法に限らない。例えば、画像からエッジを検出し、エッジに囲まれる閉領域について外観特徴を定量化し、外観特徴から各閉領域の露光インデックスを認識しても良い。
【００３２】
次に、テンプレートマッチング部８１０、８１９における処理について説明する。本処理では２枚の画像のずれ量を変化させながら、２画像の重複領域における画像濃淡の一致度を評価し、画像の一致度が最大となった時のずれ量を出力する。一致度の評価値としては正規化相互相関値を用いても良いし、差の二乗和などを用いても良い。
【００３３】
以降では本発明に係るユーザインターフェースに関して説明する。
【００３４】
図１５は計測座標を設定するインターフェースの一例を表した図である。
本インターフェースでは、登録されているチップ座標一覧を表示するインターフェース１５０１、新たなチップ座標を登録するインターフェースを呼び出すボタン１５０２、登録されたチップ座標を修正するインターフェースを呼び出すボタン１５０３、登録されたチップ座標を削除するボタン１５０４を備える。また、計測対象のチップを選択するインターフェース１５０５、登録された計測座標の画像とそれに関連した情報を表示するインターフェース１５０６、撮像する計測座標の一覧を表示するインターフェース１５０７を備える。また、以前に登録した計測座標の一覧を読み込むボタン１５０９、登録した計測座標の一覧に名前をつけて保存するボタン１５１０を備える。
【００３５】
本実施例にかかるオーバーレイ計測条件を設定するためのインターフェースの一例を説明する。
図１６は、計測条件を設定するインターフェースの一例を表した図である。
本インターフェースには取得した画像の一覧を表示するインターフェース１６０１、画像を撮像したチップの位置を表示するインターフェース１６０２、選択された画像を基準画像として設定するボタン１６０３、インターフェース１６０１において選択された複数枚の画像もしくは撮像した全ての画像から基準画像を合成する処理を呼び出すボタン１６０４、設定した基準画像を画像記憶部２０５に記憶するボタン１６０５、画像記憶部２０５から画像を読み込み基準画像として設定するボタン１６０６を備える。また、処理パラメータを設定するボタン１６０７、撮像した被計測画像に対して前述の処理Ｓ６０２〜Ｓ６０７を実行するボタン１６０８を備える。
【００３６】
図１７は、本実施例に係るオーバーレイ計測結果を表示するためのインターフェースの一例を示す図である。
本インターフェースはオーバーレイ計測結果をウェハ上に重ねて表示するインターフェース１７０１、オーバーレイの大きさについてヒストグラムを表示するインターフェース１７０２、ウェハマップやヒストグラムに表示する計測結果を指定するインターフェース１７０３を備える。また、画像を確認するインターフェースとして、基準画像と被計測画像を並べて表示するインターフェース１７０４、基準画像と被計測画像の位置を指定された基準で合わせた上で重ねて表示するインターフェース１７０５を備える。
【００３７】
図３２は本実施例に係る処理のパラメータを調整するためのインターフェースの一例を示す図である。
本インターフェースは基準画像と回路パターン領域の認識結果を表示するインターフェース３２０１、画像中に観察される露光インデックスの最大値や回路パターンを露光インデックスで分割する際のしきい値ｐ、基準パターンの露光インデックスを指定するインターフェース３２０２を備える。
【００３８】
以上説明したように、基準画像と被計測画像間における回路パターンの位置ずれ量を、各露光により形成される回路パターンごとに定量化し、各露光により形成される回路パターンごとに算出された位置ずれ量の差分を算出することで、実パターンにおいてオーバーレイを計測可能となる。そのため、特許文献１に記載の方法のように、オーバーレイ計測用の専用パターンをウェハ上に形成する必要がない。また、本実施例に記載の方法によれば、特許文献２に記載の方法のようにＣＡＤデータを扱う必要がなく、簡便にオーバーレイを計測することが可能となる。また、テンプレートマッチングにより基準画像と被計測画像の位置合わせを行っており、特許文献３に記載の方法のように座標の相対ベクトルを比較する方法に比べ、形成不良などによる回路パターンの変形などに対して頑健である。
【実施例２】
【００３９】
実施例１では基準画像と被計測画像のそれぞれについて回路パターン領域を認識し、各露光により形成される回路パターンごとに位置ずれ量を定量化し、オーバーレイを計測する手法について述べた。実施例２では、基準画像についてのみ回路パターン領域を認識し、各露光により形成される回路パターンごとに位置ずれ量を定量化し、オーバーレイを計測する手法について述べる。
【００４０】
本実施例に係る装置構成は実施例１で示した図１および図２と同様である。また、計測フローも図６および図７と同様である。また、インターフェースに関しても図１５および図１６、図１７と同様のものを備える。異なるのは、画像差異定量化部２０９（図８の８０１に対応）の構成と、画像差異定量化処理のフローである。以降においては、図１８乃至２１を用いて実施例１と異なる部分についてのみ説明する。
【００４１】
図１８は本発明に係る画像差異定量化部の構成を表した図、図１９は本発明に係る基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理フロー、図２０は基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理の途中結果を表した図、図２１は回路パターン領域を指定するインターフェースの一例を表した図である。
【００４２】
前述のように実施例２に係るオーバーレイ計測手法は基準画像と被計測画像の差異を定量化する方法が実施例１と異なる。実施例２に係る画像差異定量化部２０９の構成を図１８に、処理のフローを図１９に示す。本処理では基準画像を入力１８０１、被計測画像を入力１８０２とする。まず、回路パターン領域認識部１８０３を用いて基準画像を対象に各露光により形成される回路パターン領域を認識する（Ｓ１９０１）。次に、濃淡値抽出部１８０４を用いて、回路パターン領域の認識結果をもとに、基準画像から第ｐ以降の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した画像ＢＵ（１８０５）を作成し（Ｓ１９０２）、基準画像から第ｐ−１以前の露光により形成される回路パターン領域の濃淡値を抽出した画像ＢＬ（１８０６）を作成する（Ｓ１９０３）。なお、ｐは回路パターンを露光インデックスで分割する際のしきい値であり、ユーザから指定されたり、または予め定めたパラメータであってもよい。濃淡値抽出後、テンプレートマッチング部１８０７を用いて、画像ＢＵ（１８０５）と被計測画像（１８０２）の位置合わせを行い、ｘ方向のずれ量ｄｕｘ（１８０８）と、ｙ方向のずれ量ｄｕｙ（１８０９）を出力する（Ｓ１９０４）。同様に、画像ＢＬ（１８０６）と被計測画像（１８０２）の位置合わせを行い、ｘ方向のずれ量ｄｌｘ（１８１０）とｙ方向のずれ量ｄｌｙ（１８１１）を出力する（Ｓ１９０５）。本処理について図２０に示す処理結果例を用いて補足する。画像２００１は基準画像、画像２００２は被計測画像の例を模式的に表した図である。なお画像は図４に示したように第１の露光により形成された回路パターンの上に、第２の露光により形成された回路パターンが積層されて形成されている構造を撮像したものとする。画像２００３、２００４はｐ＝２としたときの画像ＢＵと画像ＢＬを表した図である。画像２００５は被計測画像（２００２）と画像ＢＵ（２００３）をテンプレートマッチングにより位置合わせした結果を表した図であり、ずれ量ｄｕｘとｄｕｙはそれぞれ２００６と２００７に対応する。画像２００８は被計測画像（２００２）と画像ＢＬ（２００４）をテンプレートマッチングにより位置合わせした結果を表した図である。このとき、被計測画像（２００２）には第ｐ以降の露光により形成された回路パターン領域の濃淡も含まれるため、画像の濃淡が一致しない領域２００９が発生する場合がある。しかし、本領域が占める割合が小さい場合には正しく位置合わせを行うことが可能であり、ずれ量ｄｌｘとｄｌｙは２０１０と２０１１となる。
【００４３】
本実施例においては被計測画像から回路パターン領域の認識を行わない。また、基準画像の回路パターン領域の認識は、複数枚の被計測画像を処理する度に行う必要はなく、認識した結果を画像記憶部２０５に記憶しておき、必要に応じて読み込むようにしても良い。これにより、回路パターン領域の認識にかかる時間を削減でき、計測時間を短縮することが可能である。
【００４４】
また、基準画像の回路パターン領域の認識を自動で行う必要はなく、ユーザが各露光により形成される回路パターンの領域を指定するようにしても良い。領域を指定するためのインターフェースの一例を図２１に示す。本インターフェースでは、Ｓ６０３において設定された基準画像を表示するインターフェース２１０１と、領域情報の追加や削除を行うインターフェース２１０２、領域を定義するための各種ツールボタン２１０３から構成される。これにより、例えばダブルパターニングのように第１と第２の露光により形成される回路パターンの外観が類似しており、回路パターン認識処理により弁別が困難な場合においても対応可能となる。
【００４５】
以上説明した方法および装置構成によれば、実施例1で説明した効果に加え、オーバーレイを高速に計測することが可能となる。
【実施例３】
【００４６】
実施例１および２では基準画像と被計測画像から回路パターン領域を認識し、各露光により形成される回路パターンごとに位置ずれ量を定量化し、オーバーレイを計測する手法について述べた。実施例３では、基準画像と被計測画像の画像濃淡値に関する差異を定量化し、オーバーレイを計測する手法について述べる。  この方法は画像の撮像視野を広くすることで、画素サイズが大きくなり、回路パターン領域を自動認識するのが困難な場合に有効である。
【００４７】
本実施例に係る装置構成は図１と同様である。また、計測フローも図６および図７と同様である。また、インターフェースに関しても図１５および図１６と同様のものを備える。実施例１と比較し、画像差異定量化部２０９の構成とオーバーレイ算出部２１０の構成、および被計測画像と基準画像の差異を定量化する処理（Ｓ６０４）とオーバーレイ算出処理（Ｓ６０５）のフローが異なる。以降においては、図２２乃至３０を用いて実施例１と異なる部分についてのみ説明する。
【００４８】
図２２は本発明に係るオーバーレイ計測装置の記憶部１０３および演算部１０４の構成図、図２３は本発明に係る画像差異定量化部とオーバーレイ算出部の構成を表した図、図２４は本発明に係る基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理フロー（Ｓ６０４）である。
【００４９】
図２２のオーバーレイ計測装置の記憶部１０３および演算部１０４は、実施例１に記載の構成に加え、回帰モデル記憶部２２０１と回帰モデル算出部２２０２を備える。
【００５０】
図２４で示す基準画像と被計測画像の差異を定量化する処理（Ｓ６０４）は、基準画像を入力２３０２、被計測画像を入力２３０３とする。まず、差異部検出部２３０４を用いて、基準画像との比較検査により被計測画像から差異部を検出する（Ｓ２４０１）。比較検査の方法としては例えば、基準画像と被計測画像を位置合わせした後に濃淡値の差を算出し、差の値が一定値以上となる画素からなる領域を差異部として検出すれば良い。差異部検出後、差異部特徴量算出部２３０５を用いて、差異部の外観特徴を定量化する（Ｓ２４０２）。特徴としては例えば、差異部の面積や、円形度、濃淡値の平均値、基準画像と被計測画像の平均濃淡差などを定量化する。次に差異部フィルタリング部２３０６を用いて、抽出された差異部の中から指定された条件に一致する特徴をもつ差異部のみを抽出する（Ｓ２４０３）。最後に、特徴量集計部２３０７を用いて、処理Ｓ２４０３において抽出された差異部の特徴量を集計する（Ｓ２４０４）。集計する方法としては例えば、複数の差異部から得られる特徴量の平均を算出しても良いし、最大値や最小値などを算出しても良い。
【００５１】
本実施例にかかるオーバーレイ算出部２３０８を用いたオーバーレイ算出処理（Ｓ６０５）について説明する。オーバーレイ算出部２３０８の構成を図２３に示す。本処理は被計測画像から検出された差異部から算出した特徴量２３０９を入力とする。本処理は回帰モデル代入部２３１０を用いて、後述する方法により事前に求めた回帰モデルに特徴量を代入し、ｘ方向のオーバーレイ２３１１およびｙ方向のオーバーレイ２３１２を算出する。
【００５２】
図２５に差異部面積ｆとＸ方向のオーバーレイ（ｄｘ）との関係を示す回帰モデルの一例を示す。特徴量２３０９を回帰モデル２５０１のｆに代入することでｘ方向のオーバーレイ２３１１が算出される。なお、ここではＸ方向のオーバーレイに関する回帰モデルを示したが、Ｙ方向のオーバーレイに関する回帰モデルを用いればＹ方向のオーバーレイ２３１２を算出可能となる。
【００５３】
次に、回帰モデルの作成方法について説明する。
【００５４】
図２６は回帰モデル作成処理のフロー、図２７は回帰モデル作成のための画像撮像フロー、図２８は本発明に係る回帰モデル算出部２２０２の構成を示す図である。
以降、図２６に沿って処理の手順を説明する。まず、図２７に示した画像撮像フローに従って、計測座標を第１と第２の画素サイズで撮像した画像を取得する（Ｓ２６０１）。このとき、第１の画素サイズは第２の画素サイズよりも大きいものとする。次に、基準画像の設定を行う（Ｓ２６０２）。基準画像は被計測画像の中からユーザが選択しても良いし、基準画像合成部２０８を用いて被計測画像から基準像を合成しても良い。次に、第１の画素サイズの画像を用いて差異部の特徴量を算出する（Ｓ２６０３）。また、第２の画素サイズの画像を用いてオーバーレイを計測する（Ｓ２６０４）。以上の処理Ｓ２６０３とＳ２６０４を全ての画像について完了するまで繰り返し実行する（Ｓ２６０５）。次に、回帰分析により回帰モデルを作成する（Ｓ２６０６）。以降において、処理Ｓ２６０１とＳ２６０３、Ｓ２６０４、Ｓ２６０６の詳細を説明する。
【００５５】
第１と第２の画素サイズで被計測画像を取得する処理（Ｓ２６０１）の詳細について、図２７の処理フローを用いて説明する。
まず、計測対象のウェハ１０８をステージ１０９上にロードし（Ｓ２７０１）、ウェハに対応したレシピをレシピ記憶部２０６から読み込む（Ｓ２７０２）。次に、計測座標を計測座標記憶部２０７から読み込む（Ｓ２７０３）。座標読み込み後（もしくは並行して）、ウェハアライメントを行う（Ｓ２７０４）。ウェハアライメント後、ＳＥＭ１０１を制御し、指定した座標について第１の画素サイズで画像を撮像する（Ｓ２７０５）。次に、同じ座標について第２の画素サイズで画像を撮像する（Ｓ２７０６）。この時、撮像した各画像には位置ＩＤを付帯情報として付与する。全ての撮像が完了するまで繰り返し行い（Ｓ２７０７）、最後にウェハをアンロード（Ｓ２７０８）する。なお、第１の画素サイズは第２の画素サイズよりも大きいものとする。また、画素サイズを変えるためには、画素のサンプリングピッチを変えても良いし、撮像視野の大きさを変えても良い。
【００５６】
次に、第１の画素サイズの画像を用いて差異部の特徴量を算出する処理（Ｓ２６０３）および第２の画素サイズの画像を用いてオーバーレイを計測する処理（Ｓ２６０４）の詳細について説明する。
第１の画素サイズの画像を用いて差異部の特徴量を算出する処理（Ｓ２６０３）は、第１画像差異定量化部２８０５を用いて行われる。第１画像差異定量化部２８０５は図２３に示した画像差異定量化部２３０１と同様の構成であり、処理手順は図２４に示したフローと同様である。第２の画素サイズの画像を用いてオーバーレイを計測する処理（Ｓ２６０４）は、第２画像差異定量化部２８０６とオーバーレイ算出部２８０７を用いて行われる。第２画像差異定量化部２８０６は実施例１で示した画像差異定量化部（図８の８０１）と同様の構成であり、処理手順は実施例１で示した図９のフローと同様である。また、オーバーレイ算出部２８０７は実施例１で示したオーバーレイ算出部（図８の８１１）と同様の構成であり、処理手順は実施例１で示した手順と同様である。
【００５７】
次に、回帰分析により回帰モデルを作成する処理（Ｓ２６０６）の詳細について説明する。回帰分析処理（Ｓ２６０６）は回帰分析部２８１１を用いて行われる。回帰分析部２８１１は第１画像差異定量化部２８０５が出力した差異部の特徴量２８０８と、第２画像差異定量化部が出力したＸ方向のオーバーレイ２８０９と、Ｙ方向のオーバーレイ２８１０を入力とする。図２９は複数の計測座標における、差異部の特徴量２８０８とＸ方向のオーバーレイ２８０９の算出結果をプロットとした例である。回帰分析部２８１１では差異部の特徴量を説明変数、オーバーレイを目的変数とし、両者の関係を表す回帰モデル（数式）を回帰分析により算出する。回帰分析の手法としては最小二乗法などを用いれば良い。また、使用する特徴量は一種類でなくともよく、例えば差異部面積と平均濃淡値を用いて、重回帰分析をしても良い。以上により、回帰モデル算出部２２０２はＸ方向のオーバーレイに関する回帰モデル２８１２と、Ｙ方向のオーバーレイに関する回帰モデル２８１３を出力する。
【００５８】
なお、第２画像差異定量化部２８０６の構成は、実施例２で示した画像差異定量化部（図１８）と同様の構成であっても良い。また、回帰分析部２８１１の入力となるオーバーレイは、画像から手動で算出したものでも良いし、ＣＤ−ＳＥＭなどの他の計測装置で計測した結果でも良い。
【００５９】
本実施例に係るオーバーレイ計測結果を表示するためのインターフェースの一例を図３０に示す。本インターフェースはオーバーレイ計測結果をウェハ上に重ねて表示するインターフェース３００１、オーバーレイの大きさについてヒストグラムを表示するインターフェース３００２、ウェハマップやヒストグラムに表示する計測結果を指定するインターフェース３００３を備える。また、基準画像と被計測画像および差異部検出結果を並べて表示するインターフェース３００４、算出した回帰モデルを表示するインターフェース３００５を備える。
【００６０】
以上説明したように、基準画像と被計測画像の差異を差異部により検出し、差異部の特徴を特徴量として定量化し、特徴量を事前に求めた回帰モデルに当てはめることで、実パターンにおいてオーバーレイを計測可能となる。本方法は、画素サイズが大きく、回路パターン領域を高精度かつ頑健に認識することが困難な場合においてもオーバーレイを計測可能である。これにより広い視野を撮像した画像からもオーバーレイを計測可能となり、単位時間当たりの計測領域を広くすることができる。
【実施例４】
【００６１】
実施例１および２では基準画像と被計測画像から回路パターン領域を認識し、各露光により形成される回路パターンごとに位置ずれ量を定量化し、オーバーレイを計測する手法について述べた。また、実施例３では、基準画像と被計測画像の差異を差異部の特徴量として定量化し、オーバーレイを計測する手法について述べた。実施例４では、前述の実施例を組み合わせることにより、単位時間当たりの計測領域を広くしつつ、高精度にオーバーレイを計測する手法について述べる。
【００６２】
本実施例にかかる装置構成は図１および図２２と同様である。本実施例におけるオーバーレイ計測処理のフローを図３１を用いて説明する。図３１は、本発明に係るオーバーレイ計測処理のフローを表した図である。
まず、計測対象のウェハ１０８をステージ１０９上にロードし（Ｓ３１０１）、ウェハに対応したレシピをレシピ記憶部２０６から読み込む（Ｓ３１０２）。次に、事前に作成した回帰モデルを回帰モデル記憶部２２０１から読み込む（Ｓ３１０３）。次に、事前に設定された基準画像を画像記憶部２０５から読み込む（Ｓ３１０４）。次に、計測座標を計測座標記憶部２０７から読み込む（Ｓ３１０５）。座標読み込み後（もしくは並行して）、ウェハアライメントを行う（Ｓ３１０６）。ウェハアライメント後、ＳＥＭ１０１を制御し、指定した座標について第１の画素サイズで画像を撮像する（Ｓ３１０７）。次に、第１の画素サイズの画像に対して、実施例３で示した画像差異定量化部２３０１を用いて、図２４に示した処理手順により、被計測画像と基準画像の差異を定量化する（Ｓ３１０８）。次に、実施例３で示したオーバーレイ算出部２３０８を用いてオーバーレイの算出を行う（Ｓ３１０９）。次に処理Ｓ３１０９において算出したオーバーレイを、あらかじめ設定されたしきい値と比較する（Ｓ３１１０）。算出したオーバーレイがしきい値よりも大きかった場合、ＳＥＭ１０１を制御し、指定した計測座標について第２の画素サイズで画像を撮像する（Ｓ３１１１）。次に、第２の画素サイズの画像に対して、実施例１で示した画像差異定量化部８０１を用いて、図９に示した処理手順により、被計測画像と基準画像の差異を定量化する（Ｓ３１１２）。次に、実施例１で示したオーバーレイ算出部８１１を用いてオーバーレイの算出を行う（Ｓ３１１３）。以上の処理Ｓ３１０７〜Ｓ３１１３を全ての計測座標点に対して完了するまで繰り返し実行する（Ｓ３１１４）。最後にウェハをアンロードする（Ｓ３１１５）。
【００６３】
以上説明した方法によれば、撮像視野が広い第１の画素サイズの画像を用いてオーバーレイを計測することで、単位時間あたりの計測領域を広くすることが可能である。また、第１の画素サイズの画像から計測されたオーバーレイがしきい値より大きく、より高精度な計測が必要とされる場合に、第２の画素サイズの画像を用いることで高精度にオーバーレイを計測可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１０１・・・走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、１１２・・・画像生成部、２０７・・・計測座標記憶部、２０８・・・基準画像合成部、２０９・・・画像差異定量化部、２１０・・・オーバーレイ算出部、４１２・・・オーバーレイ、Ｓ６０１・・・被検査画像を取得するステップ、Ｓ６０３・・・基準画像設定ステップ、Ｓ６０４・・・被計測画像と基準画像の差異を定量化するステップ、Ｓ６０５・・・オーバーレイ算出ステップ、８０１・・・画像差異定量化部の構成例、８１１・・・オーバーレイ算出部の構成例、Ｓ９０１・・・基準画像の回路パターン領域を認識するステップ、Ｓ９０２・・・画像ＢＵを作成するステップ、Ｓ９０３・・・画像ＢＬを作成するステップ、Ｓ９０４・・・被計測画像の回路パターン領域を認識するステップ、Ｓ９０５・・・画像ＴＵを作成するステップ、Ｓ９０６・・・画像ＴＬを作成するステップ、Ｓ９０７・・・位置ずれ量（ｄｕｘ、ｄｕｙ）を算出するステップ、Ｓ９０８・・・位置ずれ量（ｄｌｘ、ｄｌｙ）を算出するステップ、１２０３・・・ｄｕｘの一例、１２０４・・・ｄｕｙの一例、１２０７・・・ｄｌｘの一例、１２０８・・・ｄｌｙの一例、２２０１・・・回帰モデル記憶部、２２０２・・・回帰モデル算出部、２３０１・・・画像差異定量化部、２３０４・・・差異部検出部、２３０５・・・差異部特徴量算出部、２３０８・・・オーバーレイ算出部、２３１０・・・回帰モデル代入部、Ｓ２４０１・・・差異部を検出するステップ、Ｓ２４０２・・・差異部の特徴量を算出するステップ、２５０１・・・回帰モデルの一例、Ｓ２６０３・・・第１の画素サイズの画像を用いて差異部の特徴量を算出するステップ、Ｓ２６０４・・・第２の画素サイズの画像を用いてオーバーレイを計測するステップ、Ｓ２６０６・・・第２の画素サイズの画像を用いてオーバーレイを計測するステップ、Ｓ２７０５・・・第１の画素サイズで計測座標の画像を撮像するステップ、Ｓ２７０６・・・第２の画素サイズで計測座標の画像を撮像するステップ、２８０５・・・第１の画素サイズの画像を用いて差異部の特徴量を算出する手段、２８０６・・・第２の画素サイズの画像を用いてオーバーレイを計測する手段、２８１１・・・差異部の特徴量とオーバーレイの回帰モデルを作成する手段、Ｓ３１０９・・・第１の画素サイズの画像からオーバーレイを計測するステップ、Ｓ３１１０・・・第１の画素サイズの画像から算出したオーバーレイをしきい値と比較するステップ、Ｓ３１１１・・・第２の画素サイズで計測座標の画像を撮像するステップ、Ｓ３１１３・・・第２の画素サイズの画像からオーバーレイを計測するステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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