(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハ上に重ね合わせて形成された２つの大きさの異なるボックスマークを顕微鏡で観察し、前記ボックスマークの顕微鏡像を撮影し、デジタル画像に変換し、画像処理を行い、前記ボックスマークの各エッジの位置を決定し、前記ボックスマークの重ね合わせ誤差を測定する方法において、
前記２つのうちいずれかのボックスマークの画像の中心位置をｘｙ直交座標の原点とし、ｘ及びｙ方向にそれぞれ画像の強度を積算してｘ及びｙ方向の積算強度プロファイルを得、各積算強度の値をその原点からの距離に応じて規格化することによって前記ボックスマークの各エッジを自動的に認識し、各エッジに対応する測定範囲を自動的に決定することを特徴とする、重ね合わせ誤差の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路製造のフォトリソグラフィ工程において、半導体ウェハ上に形成された工程毎の回路パターンの重ね合わせ精度を検査する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の高集積化に伴い、素子製造のフォトリソグラフィ工程ではその工程毎の回路パターン同士を精度良く重ね合わせる必要性が増しつつある。そのためには、回路パターンとは別に重ね合わせ誤差を測定するための測定用マークをウェハ上に設け、例えば、第１の工程で作られた四角形の測定用マーク（以下、第１ボックスマークという）と第１ボックスマークより小さめの第２の工程で作られた四角形の測定用マーク（以下、第２ボックスマークという）との２つのボックスマークの顕微鏡像の重ね合わせ誤差を測定している。重ね合わせ誤差すなわち２つのボックスマークの中心間距離の値が、許容範囲内にある場合はその半導体ウェハを良品として次工程に投入し、許容範囲を越えている場合は不良品として製造工程から除外していた。
【０００３】
従来、この重ね合わせ誤差の測定には、重ね合わせ測定機が用いられており、バーニアマークの顕微鏡像をオペレータの眼で観察し、その顕微鏡像により目視にて重ね合わせ誤差を測定するマニュアル式と、受光素子を用いて２つのボックスマークのエッジ付近の正反射光強度の差からエッジを自動認識して中心間距離を自動測定する方式とがあった。エッジ位置を決定するには、先ず各エッジの周辺に、図６の斜線部で表示するような測定範囲を決め、その測定範囲に基づいて各エッジの正確な位置を検出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の方法において、マニュアル式の場合は、バーニアマークの顕微鏡像の目盛りの認識には、オペレータにより或いは顕微鏡像の見え方により、差異が生じ易いために、測定が不正確になっていた。一方、自動測定方式の場合は、エッジが鋭角でないときには正反射光のコントラストが弱いために、エッジ周辺に別のパターンやグレインが存在するときには特にノイズの影響を受け、エッジを正確に認識し難くなり、適正な測定範囲を決める際に支障があった。そして、結果的に、２つのボックスマークの中心間距離の測定が不正確になる恐れがあった。この自動測定方式においてマニュアルで測定範囲を決めるためには、オペレータにはある程度の経験と熟練を要するが、それでも測定範囲の再現性が良くなかったり、ボックスマークの相対するエッジの測定範囲が非対称になったりする不都合が生じていた。
【０００５】
そこで本発明は、自動測定方式において、エッジからの正反射光のコントラストが弱くとも、ノイズの原因となる別のパターンやグレインが存在していても、ボックスマーク像のエッジを正確に認識し、測定範囲を決めるための方法を提供することを目的とする。これにより、最終的に、正確且つ再現性の良い重ね合わせ誤差の測定が可能となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、半導体ウェハ上に重ね合わせて形成された２つの大きさの異なるボックスマークを顕微鏡で観察し、前記ボックスマークの顕微鏡像を撮影し、デジタル画像に変換し、画像処理を行い、ボックスマークの重ね合わせ誤差を測定する方法において、前記２つのうちいずれかのボックスマークの画像の中心位置をｘｙ直交座標の原点とし、ｘ及びｙ方向にそれぞれ画像の強度を積算してｘ及びｙ方向の積算強度プロファイルを得、各積算強度の値をその原点からの距離に応じて規格化することによって前記ボックスマークの各エッジを自動認識し、各エッジに対応する測定範囲を自動的に決定することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の実施例に係る重ね合わせ誤差の測定に用いられる重ね合わせ測定機の主要部分の概略構成を示す図である。図２は、測定用ステージ３、顕微鏡４、画像処理部５、システム制御部６、ステージ駆動制御部７、焦点位置検出部８及び光源部９から成る。さらに、測定用ステージ３は、ウェハ１０を載置してＸ方向及びＹ方向（図中、紙面に垂直な方向）に直線移動可能なＸＹステージ３ａ、Ｚ方向に直線移動可能なＺステージ３ｂ及びＺ軸廻りに回転可能なθステージ３ｃとから成る。画像処理部５は、ボックスマークの顕微鏡像を撮影するＣＣＤカメラ５ａと、その顕微鏡像をデジタル画像に変換するＡ／Ｄ変換器５ｂと、そのデジタル画像を処理する画像処理装置５ｃとから成る。画像処理装置５ｃにより処理された画像データは、例えばＬＡＮによってシステム制御部６に転送される。ステージ駆動制御部７は、ＸＹステージ３ａの移動制御を行うＸＹ駆動制御部７ａ、Ｚステージ３ｂの移動制御を行うＺ駆動制御部７ｂ及びθステージ３ｃの回転制御を行うθ駆動制御部７ｃから成る。ＸＹ駆動制御部７ａ及びθ駆動制御部７ｃは、システム制御部６からの指令により、それぞれＸＹステージ３ａの移動制御及びθステージ３ｃの回転制御を行う。焦点位置検出部８は、検出値をＺ駆動制御部７ｂに送り、Ｚステージ３ｂのＺ方向の移動制御すなわち焦点調整を行う。又、光源部９から発する光は、半透過鏡１１、１２及び顕微鏡４を通してウェハ１０を照明し、ウェハ１０からの反射光は、顕微鏡４、半透過鏡１２、１１を順次通過して、ＣＣＤカメラ５ａにより画像として撮影される。光源部９の光源には、例えばメタルハライドランプが用いられる。
【０００８】
次に、本発明の重ね合わせ誤差測定の手順を説明する。
ウェハ１０は、不図示の非接触プリアライメント部により偏心量算出と回転補正がなされた後に測定用ステージ３の上に載置される。ウェハ１０は、顕微鏡４の視野中心にボックスマークが位置するように、測定用ステージ３のＸＹステージ３ａによりＸＹ方向に動かされ、焦点を合わせるためにＺ方向に動かされる。ウェハ１０は、ウェハ上の予め登録された２点のボックスマークを用いて、いわゆるグローバルアライメントを行い、θステージ３ｃによりウェハ１０の精密な回転補正を行う。これによりボックスマークのエッジはＸＹステージ３ａのＸ、Ｙ方向に平行となる。
【０００９】
ボックスマークの顕微鏡像はＣＣＤカメラ５ａで撮影され、Ａ／Ｄ変換機５ｂでデジタル化された後に、画像処理装置５ｃの記憶媒体に記憶される。画像処理装置５ｃは、この画像データをシステム制御部６に転送するとともに、以下に述べるシーケンスに従って演算処理を行う。
図１は、本発明の実施態様に係る重ね合わせ誤差測定の手順を説明するためのフローチャートである。
【００１０】
Ｓ０１において、図３に示すボックスマーク１及び２のデジタル化された像がシステム制御部６から読み出される。ボックスマーク１の中心がｘｙ座標の原点となるように位置合わせが行われ、ｘ、ｙ軸は各々、ＸＹステージ３ａのＸ、Ｙ方向に平行となる。図３には、ボックスマーク以外にも別のパターンや、ランダムに発生するグレインが存在する。これは後述するようにノイズの原因になる。
【００１１】
Ｓ０２において、図３に示すｘｙ座標のｘ≠０のうちの１本のラインｘ＝ｋについて、ｙ方向にｋの長さ分だけ画像の強度を積算する。このようにしてｘ≠０の複数のラインについて積算強度をとり、ｘラインに対してプロットすると、図４の積算強度プロファイルが得られる。しかし、これだけでは、ｘｙ座標の原点からの距離によって同一の画像でも積算強度が異なってしまう。例えば、図４の積算強度プロファイルでは、ボックスマークの外側のエッジの方が内側のエッジジよりも積算強度が大きくなっている。このままではボックスマークのエッジ位置（ボトム）を認識できない場合がある。又、ボックスマークの中心から遠距離に存在するパターン２０やグレイン３０は、積算強度が過大に表されるために、ボックスマークのエッジ位置を認識する際の障害となる。そこで、積算強度を規格化する必要がある。
【００１２】
Ｓ０３において、積算強度を規格化する。その方法は、積算強度をｘ方向の原点からの距離の２倍で除することによって行われる。例えば、ラインｘ＝ｋ上にある画像では、その積算強度を２ｋの長さで除する。
一般には、ボックスマーク１の中心位置をｘｙ座標における（ｉｃ，ｊｃ  ）  とすると、座標（ｋ，  ｊ）  の画像の規格化された積算強度Ｆ（ｋ）は数式１によって表すことができる。
【００１３】
【数１】
0003590809.tif 000002
【００１４】
本実施の形態では、数式１において、ｉｃ  ＝０，ｊｃ  ＝０としている。このようにしてｘ≠０の複数のラインについて規格化された積算強度を計算する。その計算値をｘラインに対してプロットすると、図５に示すラインプロファイルが得られる。これにより、例えばボックスマークのエッジ部分の積算強度は大体同じになる。又、ボックスマークの中心から遠距離に存在するパターン２０やグレイン３０の積算強度が減少するので、ボックスマークのエッジ位置を認識する際の障害になり難くなる。
【００１５】
Ｓ０４において、図５のラインプロファイルから、ボックスマークのエッジ位置となり得る候補を選択する。
Ｓ０５において、ボックスマークのエッジ位置となり得る候補について、ペアとなるエッジ位置（ボトム）を見つける。
Ｓ０６において、各エッジについて測定範囲が自動的に決定される。この測定範囲は、例えば、エッジの急峻性や直線性及びエッジ周辺の状況に応じて適切な広さに定められる。測定範囲が広い方がエッジ位置の再現性は向上するが、確率的にノイズは増加するので、適切な広さを選ぶ必要がある。図６に概念的に示すように、重ね合わせて形成された第１ボックスマーク１、第２ボックスマーク２の各エッジに対応する測定範囲（図中、斜線部で示す）が決定される。
【００１６】
以上のＳ０１からＳ０６までの各動作はｙラインについても同様に行われ、最終的に２つのボックスマークの全部のエッジに対応する測定範囲が自動的に決定される。
この後、上述の測定範囲に基づいてボックスマーク１及び２の全エッジの位置が正確に検出され、それにより重ね合わせ誤差量の測定が以下の手順で行われる。先ず、２つのボックスマークのエッジ位置が測定され、次に、２つのボックスマークのｘ方向の中点位置が算出され、その中点間距離がｘ方向の重ね合わせ誤差量Δｘとなる。同様に、ｙ方向についても、重ね合わせ誤差量Δｙが求められる。従って、ΔｘとΔｙから２つのボックスマークの重ね合わせ誤差量が得られる。
【００１７】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、ウェハの重ね合わせ誤差量を測定するために設けられたボックスマークのエッジが正確に自動認識でき、エッジ毎の測定範囲が自動的に決定できるので、エッジのプロフィールが不鮮明であっても適正な測定範囲が得られる。又、オペレーターに熟練を必要としなくなる。その結果、ｘ方向の重ね合わせ誤差量Δｘ、ｙ方向の重ね合わせ誤差量Δｙ及び２つのボックスマークの重ね合わせ誤差量が高精度且つ再現性良く測定できる。
【００１８】
さらに、ボックスマークのエッジとＸＹステージの移動方向とが多少合致していない場合でも、本発明は、画像の強度を積算しその積算値を規格化しているので、エッジ位置を正確に認識でき、測定範囲を適正に決定することができる。又、ボックスマークの近隣に別のパターンが存在していたり、ボックスマークの周辺にグレインが存在していたとしても、本発明によれば、これらはボックスマークのエッジ位置を認識する際の障害になり難いので、測定範囲を適正に決定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る測定範囲を決定するための手順を示すフローチャート。
【図２】本発明の実施の形態に係る重ね合わせ誤差測定のための重ね合わせ測定機の主要部分の概略構成図。
【図３】本発明の実施の形態に係る２つのボックスマーク及びその周辺の状態を示す概念図。
【図４】図３に関する積算強度プロファイル。
【図５】図３に関する規格化された積算強度プロファイル。
【図６】２つのボックスマークと測定範囲を示す概念図。
【符号の説明】
１    ・・・第１の工程で作られたボックスマーク
２    ・・・第２の工程で作られたボックスマーク
３    ・・・測定用ステージ
４    ・・・顕微鏡
５    ・・・画像処理部
５ａ  ・・・ＣＣＤカメラ
５ｂ  ・・・Ａ／Ｄ変換器
５ｃ  ・・・画像処理装置
６    ・・・システム制御部
７    ・・・ステージ駆動制御部
８    ・・・焦点位置検出部
９    ・・・光源部
１０    ・・・ウェハ
【図１】
0003590809.tif 000003
【図２】
0003590809.tif 000004
【図３】
0003590809.tif 000005
【図４】
0003590809.tif 000006
【図５】
0003590809.tif 000007
【図６】
0003590809.tif 000008