(57)【要約】      （修正有）【課題】計測の精度が向上したパターンの重ね合わせずれ計測方法を提供する。【解決手段】パターンの重ね合わせずれ計測方法は、パターンマッチングにより、第１のパターン８の設計データ７のうち第１の基準領域７ａ内の部分が、画像データ４のうちの計測領域４ａ内の第１のパターンの画像６に係る部分と最もよく重なったときの、Ｘ−Ｙ座標系における第１の基準領域７ａの第１のシフト量を算出する。計測領域４ａ内の第１のパターンの画像６に係る部分の第１の輪郭線と、第１の基準領域７ａ内の第１のパターン８の第１の設計輪郭線と、の間隔の第１の分布をとり、第１の分布の第１の標準偏差を算出する。計測領域を拡大しながら、複数回実施した後に、最後の実施に係る第１の標準偏差が安定したときに、最後の実施に係る第１のシフト量（ｘ１、ｙ１）を第１のパターンの合わせずれとする。【選択図】図５
2014187195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパターンを有する第１の層と、前記第１の層上に設けられ、第２のパターンを有する第２の層と、を表面上に有する被測定基板の、前記表面側から、前記第１のパターンの画像及び前記第２のパターンの画像を含む表面画像の、Ｘ−Ｙ座標系で表された画像データを取得する第１の工程と、
前記画像データ中に計測領域を指定し、及び前記第１のパターンの前記Ｘ−Ｙ座標系で表された設計データ中に前記計測領域に対応する第１の基準領域を指定する第２の工程と、
パターンマッチングの手法を用いて、前記第１のパターンの前記設計データのうち前記第１の基準領域内の部分が、前記画像データのうちの前記計測領域内の前記第１のパターンの画像に係る部分と最もよく重なったときの、前記Ｘ−Ｙ座標系における前記第１の基準領域の第１のシフト量（ｘ１、ｙ１）を算出する第３の工程と、
前記第１のシフト量を算出した後に、前記画像データのうち前記計測領域内の前記第１のパターンの画像に係る部分の第１の輪郭線と、前記第１のパターンの前記設計データのうちの前記第１の基準領域内の部分の第１の設計輪郭線と、の間隔の第１の分布をとり、前記第１の分布の第１の標準偏差を算出する第４の工程と、
前記第２の工程、前記第３の工程、及び前記第４の工程を、前記第２の工程の前記計測領域を拡大しながら、複数回実施した後に、最後の実施に係る前記第１の標準偏差が安定したと判断されたときに、前記最後の実施に係る前記第１のシフト量（ｘ１、ｙ１）を第１のパターンの合わせずれとする第５の工程と、
前記画像データ中に計測領域を指定し、及び前記第２のパターンの前記Ｘ−Ｙ座標系で表された設計データ中に前記計測領域に対応する第２の基準領域を指定する第６の工程と、
パターンマッチングの手法を用いて、前記第２のパターンの前記設計データのうち前記第２の基準領域内の部分が、前記画像データのうちの前記計測領域内の前記第２のパターンの画像に係る部分と最もよく重なったときの、前記Ｘ−Ｙ座標系における前記第２の基準領域の第２のシフト量（ｘ２、ｙ２）を算出する第７の工程と、
前記第２のシフト量を算出した後に、前記画像データのうち前記計測領域内の前記第２のパターンの画像に係る部分の第２の輪郭線と、前記第２のパターンの前記設計データのうちの前記第２の基準領域内の部分の第２の設計輪郭線と、の間隔の第２の分布をとり、前記第２の分布の第２の標準偏差を算出する第８の工程と、
前記第６の工程、前記第７の工程、及び前記第８の工程を、前記第６の工程の前記計測領域を拡大しながら、複数回実施した後に、最後の実施に係る前記第２の標準偏差の値が安定したと判断されたときに、前記最後の実施に係る前記第２のシフト量を第２のパターンの合わせずれ（ｘ２，ｙ２）とする第９の工程と、
前記第２のパターンの合わせずれと前記第１のパターンの合わせずれとの差（ｘ２−ｘ１、ｙ２−ｙ１）を、前記第２のパターンの前記第１のパターンに対する合わせずれとして算出する第１０の工程と、を備え、
前記画像データは、走査型電子顕微鏡による二次電子像であり、
前記第５の工程における前記最後の実施に係る前記第１の標準偏差の値と、直近の複数回の実施に係る前記第１の標準偏差の平均値と、の差が、所定の値以下となったときに、前記最後の実施に係る前記第１の標準偏差の値が安定したと判断し、
前記第９の工程における前記最後の実施に係る前記第２の標準偏差の値と、直近の複数回の実施に係る前記第２の標準偏差の平均値と、の差が、所定の値以下となったときに、前記最後の実施に係る前記第２の標準偏差の値が安定したと判断し、
前記第４の工程において前記第１の分布をとる際に、前記第１の輪郭線と前記第１の設計輪郭線との前記間隔は、前記第１の設計輪郭線における一点から前記第１の輪郭線に達する法線の長さであり、
前記第８の工程において前記第２の分布をとる際に、前記第２の輪郭線と前記第２の設計輪郭線との前記間隔は、前記第２の設計輪郭線における一点から前記第２の輪郭線に達する法線の長さであり、
前記第３の工程及び前記第７の工程におけるパターンマッチングの手法は、テンプレートマッチング法であり、
前記第１のパターンは第１の繰り返し要素により構成され、前記第４の工程において前記第１の分布をとる際に、前記第１の繰り返し要素のそれぞれにおいて、所定の複数の位置で前記第１の輪郭線と前記第１の設計輪郭線との前記間隔を取得し、
前記第２のパターンは第２の繰り返し要素により構成され、前記第８の工程において前記第２の分布をとる際に、前記第２の繰り返し要素のそれぞれにおいて、所定の複数の位置で前記第２の輪郭線と前記第２の設計輪郭線との前記間隔を取得する、パターンの重ね合わせずれ計測方法。
【請求項２】
第１のパターンを有する第１の層と、前記第１の層上に設けられ、第２のパターンを有する第２の層と、を表面上に有する被測定基板の、前記表面側から、前記第１のパターンの画像及び前記第２のパターンの画像を含む表面画像の、Ｘ−Ｙ座標系で表された画像データを取得する第１の工程と、
前記画像データ中に計測領域を指定し、及び前記第１のパターンの前記Ｘ−Ｙ座標系で表された設計データ中に前記計測領域に対応する第１の基準領域を指定する第２の工程と、
パターンマッチングの手法を用いて、前記第１のパターンの前記設計データのうち前記第１の基準領域内の部分が、前記画像データのうちの前記計測領域内の前記第１のパターンの画像に係る部分と最もよく重なったときの、前記Ｘ−Ｙ座標系における前記第１の基準領域の第１のシフト量（ｘ１、ｙ１）を算出する第３の工程と、
前記第１のシフト量を算出した後に、前記画像データのうち前記計測領域内の前記第１のパターンの画像に係る部分の第１の輪郭線と、前記第１のパターンの前記設計データのうちの前記第１の基準領域内の部分の第１の設計輪郭線と、の間隔の第１の分布をとり、前記第１の分布の第１の標準偏差を算出する第４の工程と、
前記第２の工程、前記第３の工程、及び前記第４の工程を、前記第２の工程の前記計測領域を拡大しながら、複数回実施した後に、最後の実施に係る前記第１の標準偏差が安定したと判断されたときに、前記最後の実施に係る前記第１のシフト量（ｘ１、ｙ１）を第１のパターンの合わせずれとする第５の工程と、
前記画像データ中に計測領域を指定し、及び前記第２のパターンの前記Ｘ−Ｙ座標系で表された設計データ中に前記計測領域に対応する第２の基準領域を指定する第６の工程と、
パターンマッチングの手法を用いて、前記第２のパターンの前記設計データのうち前記第２の基準領域内の部分が、前記画像データのうちの前記計測領域内の前記第２のパターンの画像に係る部分と最もよく重なったときの、前記Ｘ−Ｙ座標系における前記第２の基準領域の第２のシフト量（ｘ２、ｙ２）を算出する第７の工程と、
前記第２のシフト量を算出した後に、前記画像データのうち前記計測領域内の前記第２のパターンの画像に係る部分の第２の輪郭線と、前記第２のパターンの前記設計データのうちの前記第２の基準領域内の部分の第２の設計輪郭線と、の間隔の第２の分布をとり、前記第２の分布の第２の標準偏差を算出する第８の工程と、
前記第６の工程、前記第７の工程、及び前記第８の工程を、前記第６の工程の前記計測領域を拡大しながら、複数回実施した後に、最後の実施に係る前記第２の標準偏差の値が安定したと判断されたときに、前記最後の実施に係る前記第２のシフト量を第２のパターンの合わせずれ（ｘ２，ｙ２）とする第９の工程と、
前記第２のパターンの合わせずれと前記第１のパターンの合わせずれとの差（ｘ２−ｘ１、ｙ２−ｙ１）を、前記第２のパターンの前記第１のパターンに対する合わせずれとして算出する第１０の工程と、を備えるパターンの重ね合わせずれ計測方法。
【請求項３】
前記画像データは、走査型電子顕微鏡による二次電子像である請求項２記載のパターンの重ね合わせずれ計測方法。
【請求項４】
前記第５の工程における前記最後の実施に係る前記第１の標準偏差の値と、直近の複数回の実施に係る前記第１の標準偏差の平均値と、の差が、所定の値以下となったときに、前記最後の実施に係る前記第１の標準偏差の値が安定したと判断し、
前記第９の工程における前記最後の実施に係る前記第２の標準偏差の値と、直近の複数回の実施に係る前記第２の標準偏差の平均値と、の差が、所定の値以下となったときに、前記最後の実施に係る前記第２の標準偏差の値が安定したと判断する、請求項２または３に記載のパターンの重ね合わせずれ計測方法。
【請求項５】
前記第４の工程において前記第１の分布をとる際に、前記第１の輪郭線と前記第１の設計輪郭線との前記間隔は、前記第１の設計輪郭線における一点から前記第１の輪郭線に達する法線の長さであり、
前記第８の工程において前記第２の分布をとる際に、前記第２の輪郭線と前記第２の設計輪郭線との前記間隔は、前記第２の設計輪郭線における一点から前記第２の輪郭線に達する法線の長さである、請求項２〜４のいずれか１つに記載のパターンの重ね合わせずれ計測方法。
【請求項６】
前記第３の工程及び前記第７の工程におけるパターンマッチングの手法は、テンプレートマッチング法である、請求項２〜５のいずれか１つに記載のパターンの重ね合わせずれ計測方法。
【請求項７】
前記第１のパターンは第１の繰り返し要素により構成され、前記第４の工程において前記第１の分布をとる際に、前記第１の繰り返し要素のそれぞれにおいて、所定の複数の位置で前記第１の輪郭線と前記第１の設計輪郭線との前記間隔を取得し、
前記第２のパターンは第２の繰り返し要素により構成され、前記第８の工程において前記第２の分布をとる際に、前記第２の繰り返し要素のそれぞれにおいて、所定の複数の位置で前記第２の輪郭線と前記第２の設計輪郭線との前記間隔を取得する、請求項２〜６のいずれか１つに記載のパターンの重ね合わせずれ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
マスクパターンの合わせずれを計測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程には、半導体層に絶縁膜の開口部を介して電気的に接続する電極を形成する工程、または、多層配線構造の各配線層の配線に絶縁膜の開口部を介して電気的に接続する導電性ビアを形成する工程等がある。これらの工程では、下層のパターンに重ね合わせて合わせて上層のパターンを形成することが必要である。上層のパターンが下層のパターンに対してずれて形成されると、配線不良または配線抵抗の増大などの問題が発生する。このため、上層のパターン形成終了後、下層パターンに対する上層パターンの合わせずれを計測するための検査工程が必要となる。予め重ね合わせずれ検出のための専用マークが、下層と上層のそれぞれの層の半導体チップを分離するためのスクライブライン上に配置される。重ね合わせずれ検査の工程では、これらの下層に設けられたマークと上層に設けられたマークのずれが、光学式計測装置で計測される。この光学式計測方法は、計測スループットが短く、容易に上層の膜を透過して下層のマークを見ることができるので、高頻度に任意の工程で重ね合わせずれを計測することができる。しかしながら、重ね合わせ計測用のパターンが、半導体装置のパターンに比べて大きく形成される必要があり、さらに、半導体装置内の本体パターンを直接計測していないという問題を有する。これに対して、重ね合わせずれを計測するために、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の二次電子像（以下、ＳＥＭ画像）の利用が検討されている。ＳＥＭによる計測方法の方が、光学式計測方法に比べて、空間分解能が高く、半導体装置の本体パターンの重ね合わせずれを直接計測することができるという利点がある。しかしながら、ＳＥＭの画像は局所的な領域の情報であるため、パターンの斑や、上層パターンの下層パターンへの重なり具合等により、パターンの重ね合わせずれの計測精度が低下する虞が大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２４０６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パターン重ね合わせずれ計測の精度が向上したパターンの重ね合わせずれ計測方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法は、第１の工程、第２の工程、第３の工程、第４の工程、第５の工程、第６の工程、第７の工程、第８の工程、第９の工程、及び第１０の工程を備える。被測定基板は、第１のパターンを有する第１の層と、第１の層上に設けられ、第２のパターンを有する第２の層と、を表面上に有する。第１の工程では、被測定基板の表面側から、第１のパターンの画像及び第２のパターンの画像を含む表面画像の、Ｘ−Ｙ座標系で表された画像データを取得する。第２の工程では、画像データ中に計測領域を指定し、第１のパターンのＸ−Ｙ座標系で表された設計データ中に計測領域に対応する第１の基準領域を指定する。第３の工程では、パターンマッチングの手法を用いて、第１のパターンの設計データのうち第１の基準領域内の部分が、画像データのうちの計測領域内の第１のパターンの画像に係る部分と最もよく重なったときの、Ｘ−Ｙ座標系における第１の基準領域の第１のシフト量（ｘ１、ｙ１）を算出する。第４の工程では、第１のシフト量を算出した後に、画像データのうち計測領域内の第１のパターンの画像に係る部分の第１の輪郭線と、第１のパターンの設計データのうちの第１の基準領域内の部分の第１の設計輪郭線と、の間隔の第１の分布をとり、第１の分布の第１の標準偏差を算出する。第５の工程では、第２の工程の計測領域を拡大しながら、第２の工程、第３の工程、及び第４の工程を複数回実施した後に、最後の実施に係る第１の標準偏差が安定したと判断されたときに、最後の実施に係る前記第１のシフト量（ｘ１、ｙ１）を第１のパターンの合わせずれとする。第６の工程では、画像データ中に計測領域を指定し、第２のパターンのＸ−Ｙ座標系で表された設計データ中に計測領域に対応する第２の基準領域を指定する。第７の工程では、パターンマッチングの手法を用いて、第２のパターンの設計データのうち第２の基準領域内の部分が、画像データのうちの計測領域内の第２のパターンの画像に係る部分と最もよく重なったときの、Ｘ−Ｙ座標系における第２の基準領域の第２のシフト量（ｘ２、ｙ２）を算出する。第８の工程では、第２のシフト量を算出した後に、画像データのうち計測領域内の第２のパターンの画像に係る部分の第２の輪郭線と、第２のパターンの設計データのうちの第２の基準領域内の部分の第２の設計輪郭線と、の間隔の第２の分布をとり、第２の分布の第２の標準偏差を算出する。第９の工程では、第６の工程、第７の工程、及び第８の工程を、第６の工程の計測領域を拡大しながら、複数回実施した後に、最後の実施に係る第２の標準偏差の値が安定したと判断されたときに、最後の実施に係る第２のシフト量を第２のパターンの合わせずれ（ｘ２，ｙ２）とする。第１０の工程では、第２のパターンの合わせずれと第１のパターンの合わせずれとの差（ｘ２−ｘ１、ｙ２−ｙ１）を、第２のパターンの第１のパターンに対する合わせずれとして算出する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程のフローチャート。
【図２】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図。
【図３】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図。
【図４】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程のフローチャート。
【図５】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図。
【図６】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図。
【図７】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図。
【図８】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図。
【図９】設計データの設計輪郭線とＳＥＭ画像データの輪郭線との間隔のバラツキと計測領域中のパターンの繰り返し要素数との関係を示す図。
【図１０】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程のフローチャート。
【図１１】第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。実施形態中の説明で使用する図は、説明を容易にするための模式的なものであり、図中の各要素の形状、寸法、大小関係などは、実際の実施においては必ずしも図に示されたとおりとは限らず、本発明の効果が得られる範囲内で適宜変更可能である。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１〜図１１を用いて、本発明の第１の実施形態に係るパターン重ね合わせずれ計測方法について説明する。図１は、第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程のフローチャートである。図２及び図３は、第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図である。図４は、第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程のフローチャートである。図５〜８は、第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図である。図９は、設計データの設計輪郭線とＳＥＭ画像データの輪郭線との間隔のバラツキと計測領域中のパターンの繰り返し要素数との関係を示す図である。図１０は、第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程のフローチャートである。図１１は、第１の実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせ計測工程の中の一工程を示す図である。
【０００９】
図１に示したように、本実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法を用いたパターンの重ね合わせずれ計測工程は、ウエーハロード工程（Ｓ１００）、ウエーハアライメント工程（Ｓ２００）、指定座標へ移動する工程（Ｓ３００）、ＳＥＭ画像データを取得する工程（Ｓ４００、第１の工程）、ＳＥＭ画像データに下層設計データをマッチングする工程（Ｓ５００）、ＳＥＭ画像データに上層設計データをマッチングする工程（Ｓ６００）、及び重ね合わせずれを算出する工程（Ｓ７００）を備える。
【００１０】
ウエーハロード工程（Ｓ１００）により、被測定基板１は、図示しないＳＥＭ内の測定ステージにセットされる。被測定基板１は、表面上に下層パターン（第１のパターン）を有する下層（第１の層）と、下層上に形成された、上層パターン（第２のパターン）を有する上層（第２の層）と、を有する。例えば、多層配線層を形成する場合は、下層は上層の配線に電気的に接続されるビアを複数含んだ絶縁層であり、上層はビアの上部に配線が配置されるように溝が複数形成された絶縁層である。多層配線層は、上記下層及び上層を繰り返し有する。
【００１１】
次に、図２に示したように、ウエーハアライメント工程（Ｓ２００）により、被測定基板１の原点がＳＥＭの測定座標系（Ｘ−Ｙ座標系）の原点に一致するように、被測定基板１が位置合わせされる。具体的には、被測定基板１の表面上に位置合わせマーカー２が形成されており、この位置合わせマーカー２が測定座標系の所定の位置に来るように、光学顕微鏡などを用いて被測定基板１の位置が調整される。
【００１２】
次に、図３に示したように、電子銃からの電子線が照射される位置が、指定された計測座標３に配置されるように被測定基板１のステージを移動させる（Ｓ３００）。その後、電子線が被処理基板１の表面上に照射されて、Ｘ−Ｙ座標系で表されたＳＥＭ画像データ４が取得される（Ｓ４００）。ＳＥＭ画像データ４は、下層パターンの製造プロセスで下層に形成された仕上がり下層パターン５の画像及び上層パターンの製造プロセスで上層に形成された仕上がり上層パターン６の画像を有するＳＥＭ画像をＸ−Ｙ座標系で表したものである。
【００１３】
次に、ＳＥＭ画像データに下層設計データをマッチングする工程（Ｓ５００）が実施される。ＳＥＭ画像データに下層設計データをマッチングする工程（Ｓ５００）は、図４に示したように、ＳＥＭ画像データに計測領域を指定及び下層パターンの設計データに第１の基準領域を指定する工程（Ｓ５１０、第２の工程）、第１のシフト量を算出する工程（Ｓ５２０、第３の工程）、第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキを算出する工程（Ｓ５３０、第４の工程）、及び第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキが安定かどうか判断する工程（Ｓ５４０、第５の工程）を有する。
【００１４】
ＳＥＭ画像データに計測領域を指定及び下層パターンの設計データに第１の基準領域を指定する工程（Ｓ５１０）では、図５に破線で示したように、計測領域４ａがＳＥＭ画像データ４中に指定される。第１の基準領域７ａが下層パターン設計データ７中に設けられ、ＳＥＭ画像データ４中の計測領域４ａに対応して同じ四角形状の領域である。下層パターン設計データ７は、Ｘ−Ｙ座標系で表された設計下層パターン８の輪郭線（以下、第１の設計輪郭線）のデータを有する。ＳＥＭ画像データ４中の仕上がり下層パターン５の輪郭線（以下、第１の輪郭線）は、上記設計下層パターン８の第１の設計輪郭線に基づいて、リソグラフィ工程により形成されたものである。
【００１５】
第１のシフト量を算出する工程（Ｓ５２０）では、ＳＥＭ画像データ４の計測領域４ａに下層パターン設計データ７の第１の基準領域７ａを重ね合わせる。パターンマッチングの手法、例えば、テンプレートマッチング法により、下層パターン設計データ７の第１の基準領域７ａ中の設計下層パターン８が、ＳＥＭ画像データ４の計測領域４ａ中の仕上がり下層パターン５に最もよく重なるように、第１の基準領域７ａを計測領域４ａにＸ−Ｙ座標系においてシフトさせる。このときのシフト量を第１のシフト量（ｘ１、ｙ１）として算出する。パターンマッチングの手法は、テンプレートマッチング法以外に他の方法とすることも可能である。
【００１６】
次に、第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキを算出する工程（Ｓ５３０）が実施される。この工程では、上記の第１の基準領域７ａの設計下層パターン８が計測領域４ａの仕上がり下層パターン５に最もよく重なったときの、設計下層パターン８の第１の設計輪郭線と仕上がり下層パターン５の第１の輪郭線との間隔のバラツキを算出する。
【００１７】
具体的には、図７に示したように、設計下層パターン８の繰り返し要素の１つとこれに重なっている仕上がり下層パターン５の繰り返し要素の１つに着目する。設計下層パターン８の上記繰り返し要素の第１の設計輪郭線の所定の点から、仕上がり下層パターン５の上記繰り返し要素の第１の輪郭線に達する法線を引き、この法線の長さを設計下層パターン８の第１の設計輪郭線と仕上がり下層パターン５の第１の輪郭線との間隔とする。設計下層パターン８の１つの繰り返し要素の第１の設計輪郭線の複数点において、上記の法線の長さをそれぞれ算出する。この法線の長さの算出を、第１の基準領域７ａ内の設計下層パターン８のそれぞれの繰り返し要素に対して実施する。これにより、第１の基準領域７ａ内に占める設計下層パターン８の繰り返し要素の数に対して、設計下層パターン８の第１の設計輪郭線と仕上がり下層パターン５の第１の輪郭線との間隔の第１の分布を取得する。この第１の分布の標準偏差σを算出して第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキとする。
【００１８】
第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキが安定かどうか判断する工程（Ｓ５４０）では、図８に示したように、計測領域４ａ及びこれに対応する第１の基準領域７ａを拡大しながら、ＳＥＭ画像データに計測領域を指定及び下層パターンの設計データに第１の基準領域を指定する工程（Ｓ５１０）、第１のシフト量を算出する工程（Ｓ５２０）、及び第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキを算出する工程（Ｓ５３０）を複数回実施する。ここで、計測領域４ａの拡大及び第１の基準領域７ａの拡大は、第１の基準領域７ａ内の設計下層パラメータ８の繰り返し要素の数の増加を意味する。
【００１９】
図９に、計測領域４ａを拡大しながら、第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキ（図９中では、単に、輪郭線間隔のバラツキと表記）を算出した結果を示す。輪郭線間隔のバラツキを３σで表し、計測領域４ａの大きさを計測領域４ａまたは第１の基準領域７ａ中に含まれる下層設計パターン８の繰り返し要素の数で表した。輪郭線の間隔は、画像処理装置の画素数で表し、実際の数値は省略した。
【００２０】
輪郭線間隔のバラツキは、計測領域４ａ及び第１の基準領域７ａを拡大していくと、大きく減少した後に、増加し始め、繰り返し要素の数が２００個以上で安定する。輪郭線間隔のバラツキが安定していない領域で、パターンマッチングの手法により算出された第１の基準領域７ａのシフト量は、計測精度の信頼性が低い。そのため、輪郭線間隔のバラツキが安定した状態でパターンマッチングの手法により算出された第１のシフト量（ｘ１、ｙ１）を算出し、これを、第１のパターンの合わせずれ（ｘ１、ｙ１）とする。
【００２１】
輪郭線間隔のバラツキが安定したかどうかの判断は、例えば、以下のように実施する。上記工程を複数回実施後の最後の実施に係る第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔の第１の標準偏差の値と、直近の複数回の実施に係る第１の標準偏差の平均値と、の差が、所定の値以下となった時に、第１の標準偏差は安定したと判断する。図９の場合では、繰り返し要素の数が２００個の時の第１の標準偏差と、繰り返し要素の数が１９５〜１９９個の時の第１の標準偏差の平均値との差が、０．１画素以下であり、第１の標準偏差は安定したと判断した。
【００２２】
次に、ＳＥＭ画像データに上層設計データをマッチングする工程（Ｓ６００）が実施される。ＳＥＭ画像データに上層設計データをマッチングする工程（Ｓ６００）は、図１０に示したように、ＳＥＭ画像データに計測領域を指定及び上層パターンの設計データに第２の基準領域を指定する工程（Ｓ６１０、第６の工程）、第２のシフト量を算出する工程（Ｓ６２０、第７の工程）、第２の設計輪郭線と第２の輪郭線との間隔のバラツキを算出する工程（Ｓ６３０、第８の工程）、及び第２の設計輪郭線と第２の輪郭線との間隔のバラツキが安定かどうか判断する工程（Ｓ６４０、第９の工程）を有する。これらの各工程は、ＳＥＭ画像データに下層設計データをマッチングする工程（Ｓ５００）が有する、ＳＥＭ画像データに計測領域を指定及び下層パターンの設計データに第１の基準領域を指定する工程（Ｓ５１０、第２の工程）、第１のシフト量を算出する工程（Ｓ５２０、第３の工程）、第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキを算出する工程（Ｓ５３０、第４の工程）、及び第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキが安定かどうか判断する工程（Ｓ５４０、第５の工程）と同じ作業を実施する。
【００２３】
ＳＥＭ画像データに計測領域を指定及び下層パターンの設計データに第２の基準領域を指定する工程（Ｓ６１０）では、図１１に破線で示したように、計測領域４ａがＳＥＭ画像データ４中に指定される。第２の基準領域９ａが上層パターン設計データ９中に設けられ、ＳＥＭ画像データ４中の計測領域４ａに対応して同じ四角形状の領域である。上層パターン設計データ９は、Ｘ−Ｙ座標系で表された設計上層パターン１０の輪郭線（以下、第２の設計輪郭線）のデータを有する。ＳＥＭ画像データ４中の仕上がり上層パターン６の輪郭線（以下、第２の輪郭線）は、上記設計上層パターン１０の第２の設計輪郭線に基づいて、リソグラフィ工程により形成されたものである。
【００２４】
第２のシフト量を算出する工程（Ｓ７２０）では、ＳＥＭ画像データ４の計測領域４ａに上層パターン設計データ９ａを重ね合わせる。パターンマッチングの手法、例えば、テンプレートマッチング法により、上層パターン設計データ９の第２の基準領域９ａ中の設計上層パターン１０が、ＳＥＭ画像データ４の計測領域４ａ中の仕上がり上層パターン６に最もよく重なるように、第２の基準領域９ａを計測領域４ａにＸ−Ｙ座標系においてシフトさせる。このときのシフト量を第２のシフト量（ｘ２、ｙ２）として算出する。パターンマッチングの手法は、テンプレートマッチング法以外に他の方法とすることも可能である。
【００２５】
次に、第２の設計輪郭線と第２の輪郭線との間隔のバラツキを算出する工程（Ｓ６３０）が実施される。この工程では、上記の第２の基準領域９ａの設計上層パターン１０が計測領域４ａの仕上がり上層パターン６に最もよく重なったときの、設計上層パターン１０の第２の設計輪郭線と仕上がり上層パターン６の第２の輪郭線との間隔のバラツキを算出する。具体的な算出方法は、第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキを算出する工程（Ｓ５３０）と同じなので説明は省略する。本工程により、第２の基準領域９ａ内に占める設計上層パターン１０の繰り返し要素の数に対して、設計上層パターン１０の第２の設計輪郭線と仕上がり上層パターン６の第２の輪郭線との間隔の第２の分布を取得する。この第２の分布の標準偏差σを算出して第２の設計輪郭線と第２の輪郭線との間隔のバラツキとする。
【００２６】
次に、第２の設計輪郭線と第２の輪郭線との間隔のバラツキが安定かどうか判断する工程（Ｓ６４０）が実施されるが、第１の設計輪郭線と第１の輪郭線との間隔のバラツキが安定かどうか判断する工程（Ｓ５４０）と同様に実施されるので、その説明を省略する。本工程により、第２の設計輪郭線と第２の輪郭線との間隔のバラツキが安定した状態で、パターンマッチングの手法により算出された第２のシフト量（ｘ２、ｙ２）を算出し、これを、第２のパターンの合わせずれ（ｘ２、ｙ２）とする。
【００２７】
次に、重ね合わせずれを算出する工程（Ｓ７００）が実施される。本工程では、ＳＥＭ画像データに上層設計データをマッチングする工程（Ｓ６００）により算出された第２のパターンの合わせずれ（ｘ２、ｙ２）と、ＳＥＭ画像データに下層設計データをマッチングする工程（Ｓ５００）により算出された第１のパターンの合わせずれ（ｘ１、ｙ１）と、の差（ｘ２−ｘ１、ｙ２−ｙ１）を、上層パターン（第２のパターン）の下層パターン（第１のパターン）に対する合わせずれとして算出する。
【００２８】
本実施形態に係るパターンの重ね合わせずれ計測方法では、直接半導体装置の本体パターンをＳＥＭにより観察している。このため、重ね合わせずれ計測の空間分解が高く、リソグラフィ工程の重ね合わせずれに対する補正をかけやすい。さらに、パターンマッチングにおいて、パターンの輪郭線間隔のバラツキが安定した状態でパターンずれを計測しているため、計測の信頼性が向上している。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３０】
１  半導体基板
２  位置合わせマーカー
３  指定された計測座標
４  ＳＥＭ画像
４ａ  ＳＥＭ画像の計測領域
５  仕上がり下層パターン
６  仕上がり上層パターン
７  下層パターン設計データ
７ａ  下層パターン設計データ基準領域
８  設計下層パターン
９  上層パターン設計データ
９ａ  上層パターン設計データ基準領域
１０  設計上層パターン
【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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