(57)【要約】【課題】  複数層に形成されたパターンを光学的に検出するときの最適条件を決めるために用いることができる光学測定評価方法を得る。【解決手段】  光学測定評価方法が、積層形成された状態の二つ以上のパターンを光学的の撮影して画像を取得する第１のステップと、この画像から前記層のそれぞれにおけるパターンを含む領域を切り出す第２のステップと、切り出された領域毎について比較パターンとの相関関数を計算する第３のステップと、領域毎について相関関数のピークの鋭さを示す評価値を算出する第４のステップと、領域毎について算出された評価値を用いて相対的に測定精度を制限している層に比重が置かれるような総合指標を算出する第５のステップと、総合指標から最適値を評価する第６のステップとから構成される。【選択図】  図２
2006153621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層形成された二つ以上の層上にそれぞれ形成されたパターンのフォーカス位置の光学測定を行う場合の測定評価を行う方法であって、
積層形成された状態の二つ以上の前記パターンを光学的に撮影して画像を取得する第１のステップと、
前記画像から前記層のそれぞれにおける前記パターンを含む領域を切り出す第２のステップと、
切り出された前記領域毎について比較パターンとの相関関数を計算する第３のステップと、
前記領域毎について前記相関関数のピークの鋭さを示す評価値を算出する第４のステップと、
前記領域毎について算出された前記評価値を用いて相対的に測定精度を制限している層に比重が置かれるような総合指標を算出する第５のステップと、
前記総合指標から最適な前記フォーカス位置を評価する第６のステップと
から構成されることを特徴とする光学測定評価方法。
【請求項２】
前記第３のステップにおいて、自己折り返しパターンを比較パターンとして前記相関関数を計算することを特徴とする請求項１に記載の光学測定評価方法。
【請求項３】
前記第３のステップにおいて、テンプレートパターンを比較パターンとして前記相関関数を計算することを特徴とする請求項１に記載の光学測定評価方法。
【請求項４】
前記第４のステップにおいて、前記相関関数のピーク値と、前記ピーク値を示す位置の両隣の相関関数値とを用いて前記相関関数の鋭さを示す評価値を算出することを特徴とする請求項１に記載の光学測定評価方法。
【請求項５】
前記相関関数のピーク値Ｖｐと、前記ピーク値を示す位置の両隣の相関関数値Ｖｐ(a)，Ｖｐ(b)とに基づいて、式
Ｅ＝Ｖｐ−｛Ｖ(a)＋Ｖ(b)｝／２
により前記相関関数の鋭さを示す評価値Ｅを算出することを特徴とする請求項４に記載の光学測定評価方法。
【請求項６】
前記第３のステップにおいて、前記領域毎について算出された前記評価値の逆数の和を前記総合指標として算出することを特徴とする請求項１に記載の光学測定評価方法。
【請求項７】
前記第１のステップにおいて前記パターンを光学的に撮影して画像を取得するときの前記パターンの光軸方向のオフセット位置を変化させながら、前記第１から前記第５のステップを行って前記総合指標の変化特性を求め、このように求めた前記変化特性から前記第６のステップにて前記最適なフォーカス位置となる前記オフセット位置を求めることを特徴とする請求項１に記載の光学測定評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ウエハ上に回路パターンを積層形成するときにおいて、回路パターンの形成位置ずれを検出するために用いられる位置検出パターンマーク等を光学的に測定する方法に関し、さらに詳しくは、この光学測定において最適なフォーカス位置を求めるための光学測定評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウエハ上に半導体パターンを形成するリソグラフィ工程では、各工程毎に対応するパターンが形成された複数のレチクルを用いて複数のパターンが一層ずつ積層形成される。このように複数のパターン層を積層形成するときに、下層パターンとその上に積層される上層パターンとを正しい位置関係で形成する必要がある。このような上下パターン層の位置関係を検査するために、各パターン層の形成と同時に位置検出パターンマークを形成し、この位置検出パターンマークを光学的に検出して上下パターン層の位置ずれ検出（重ね合わせ検出）を行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、最近においてはウエハ上に形成される半導体パターンがますます微細化されており、これに伴って各パターンの厚さもますます薄くなってきている。このため、各パターン形成時に形成される位置検出用マークの段差が非常に小さくなってきており、これを光学的に検出するときに正確なフォーカス調整が必要である。なお、本出願人の出願による特許文献２には、ウエハ上に積層形成されるパターンに対応してウエハ上に形成される位置検出パターンマークを、下層パターンを形成する時に一緒に形成される矩形状の第１マークと、下層パターンの上に上層パターンを形成するときに第１マークと隣接して平行に延びて形成される矩形状の第２マークとから構成し、これら第１および第２マークの幅ｗ１，ｗ２と積層方向の段差ｔ１，ｔ２が、ｔ１＜ｔ２であるときには、ｗ１＜ｗ２に設定し、ｔ１＞ｔ２であるときには、ｗ１＞ｗ２に設定して、コントラストを高めることが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３１７９１３号公報
【特許文献２】特開２００４−２２６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このように各層毎に形成される位置検出パターンマークの段差は、各層毎に設けられるパターンの厚さに応じて決められるものであり、各層毎に位置検出パターンマークの段差は相違するのが一般的である。一方、このような位置検出パターンマークによる位置ずれ測定（重ね合わせ測定）は、位置検出パターンマークを光学的に観察する光学測定装置を用いて行われる。具体的には、この光学測定装置により得られた位置検出パターンマークの画像に基づいて測定演算がなされて位置ずれが測定される。
【０００６】
このような光学測定装置はオートフォーカス機構を有しており、このオートフォーカス機構により自動的なフォーカス調整が行われるが、上述のように各層毎に形成される位置検出パターンマークの段差が相違していると、オートフォーカスにより調整されたフォーカス位置が特定の層のパターンマークに合焦して、他の層のパターンマークに対して焦点ずれが生じるような場合がある。ところが、位置ずれ測定のためには上下両層の位置検出パターンマーク（例えば、上記第１および第２マーク）に対して最適なフォーカス位置を設定することが正確な測定に必要であり、従来ではオートフォーカス機構により調整されたフォーカス位置をこのように最適なフォーカス位置に設定し直す調整が手動等により行われていた。
【０００７】
しかしながら、このような手動によるオフセット調整は、操作者の直感による場合が多く、最適なフォーカス位置調整が行われるとは限られないものであった。なお、このオフセット調整条件を変えて複数回の測定を行い、測定再現性を指標として条件を決めることも行われているが、信頼するに足る結果を得るためには測定回数を増やさねばならず、条件決定に時間がかかるという問題があった。
【０００８】
本発明はこのような問題に鑑みたもので、複数層に形成された位置検出パターンマークの位置ずれを光学的に行うときに、フォーカス位置調整を行うための最適条件を決めるために用いることができる光学測定評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的達成のため、本発明は、積層形成された二つ以上の層上にそれぞれ形成されたパターンのフォーカス位置の光学測定を行う場合の測定評価を行う方法であって、  積層形成された状態の二つ以上の前記パターンを光学的に撮影して画像を取得する第１のステップと、前記画像から前記層のそれぞれにおける前記パターンを含む領域を切り出す第２のステップと、切り出された前記領域毎について比較パターンとの相関関数を計算する第３のステップと、前記領域毎について前記相関関数のピークの鋭さを示す評価値を算出する第４のステップと、前記領域毎について算出された前記評価値を用いて相対的に測定精度を制限している層に比重が置かれるような総合指標を算出する第５のステップと、前記総合指標から最適な前記フォーカス位置を評価する第６のステップとから構成される。
【００１０】
なお、前記第３のステップにおいて、自己折り返しパターンを比較パターンとして前記相関関数を計算することができる。もしくは、テンプレートパターンを比較パターンとして前記相関関数を計算することもできる。
【００１１】
また、前記第４のステップにおいて、前記相関関数のピーク値と、前記ピーク値を示す位置の両隣の相関関数値とを用いて前記相関関数の鋭さを示す評価値を算出することができる。このとき、前記相関関数のピーク値Ｖｐと、前記ピーク値を示す位置の両隣の相関関数値Ｖｐ(a)，Ｖｐ(b)とに基づいて、式  Ｅ＝Ｖｐ−｛Ｖ(a)＋Ｖ(b)｝／２  により前記相関関数の鋭さを示す評価値Ｅを算出することができる。
【００１２】
前記第３のステップにおいて、前記領域毎について算出された前記評価値の逆数の和を前記総合指標として算出することもできる。
【００１３】
なお、前記第１のステップにおいて前記パターンを光学的に撮影して画像を取得するときの前記パターンの光軸方向のオフセット位置を変化させながら、前記第１から前記第５のステップを行って前記総合指標の変化特性を求め、このように求めた前記変化特性から前記第６のステップにて前記最適なフォーカス位置となる前記オフセット位置を求めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
このような構成の本発明に係る光学測定評価方法によれば、画像から抽出した評価値を用いて最適値を評価できるため、短時間に効率良く最適条件を算出できる。特に、積層形成された二つ以上の層上にそれぞれ形成されたパターンのコントラストに差があるときでも、最適な評価を自動的に行うことができるため、測定精度を向上させることができる。例えば、複数層に形成された位置検出パターンマークの位置ずれを光学的に行うときに、各層毎の位置検出パターンマークの段差が相違してコントラストが相違するような場合でも、フォーカス位置調整を行うための最適条件を簡単に且つ正確に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明に係る光学測定評価方法を説明するが、まず、この評価方法が行われる対象となる光学測定装置の構成について、図１を参照して説明する。
【００１６】
この光学測定装置は、光源１と、拡散板２と、コンデンサレンズ３と、ＡＦ用スリット板４と、投影レンズ５と、第１ハーフミラー６とからなる照明光学系を備える。この照明光学系においては、光源１から出射された照明光が拡散板２により均一化されてコンデンサレンズ３により集光され、ＡＦ用スリット板４によりオートフォーカス用のスリット状の光束が形成され、投影レンズ５により適当な照明倍率が与えられて第１ハーフミラー６に至る。
【００１７】
第１ハーフミラー６において反射されて垂直下方に照射されるスリット状照明光は、第１対物レンズ７を通ってウエハ把持装置３３により把持されたウエハＷの表面の位置検出パターンマークMを照明する。このようにして位置検出パターンマークＭを照明してウエハＷの表面から反射された光は、第１対物レンズ７を通るとともに第１ハーフミラー６を通って第２ハーフミラー８に至る。そして、第２ハーフミラー８を透過した光は観察光学系１０に入射し、第２ハーフミラー８において反射された光はオートフォーカス光学系２０に入射する。
【００１８】
観察光学系１０は第２対物レンズ１１、観察用結像レンズ１２および二次元光電変換素子１３を有し、第２ハーフミラー８を透過した光は第２対物レンズ１１および観察用結像レンズ１２を通って二次元光電変換素子１３に至り、二次元光電変換素子１３により位置検出パターンマークＭの像が撮影される。そして、このようにして二次元光電変換素子１３により撮影された像に基づいて、位置ずれ測定が行われる。
【００１９】
一方、オートフォーカス光学系２０は、リレーレンズ２１、全反射ミラー２２、ナイフエッジ２３（これに変えて分割プリズムを用いることもできる）、フォーカス用結像レンズ２４、シリンドリカルレンズ２５およびＡＦ用光電変換素子２６を備えて構成される。上述のように第２ハーフミラー８において反射されてオートフォーカス光学系２０に入射した光は、リレーレンズ２１を通って全反射ミラー２２により全反射され、ほぼ瞳位置に位置するナイフエッジ２３に至り、続いてフォーカス用結像レンズ２４およびシリンドリカルレンズ２５を通ってＡＦ用光電変換素子２６に照射される。この結果、シリンドリカルレンズ２５の作用等により、ＡＦ用光電変換素子２６において、オートフォーカス計測方向にウエハと略共役で且つ非計測方向に瞳共役な像が撮影される。
【００２０】
このようにしてＡＦ用光電変換素子２６により撮影されて得られた画像情報（信号）は、フォーカス位置検出装置３１に送られ、ここで最適なフォーカス位置が求められる。最適なフォーカス位置を求めるため、および求められた最適フォーカス位置を設定するために、フォーカス位置検出装置３１からフォーカスアクチュエータ駆動装置３２に駆動制御信号が送られ、フォーカスアクチュエータ駆動装置３２はこの駆動制御信号を受けてウエハ把持装置３３を駆動させる。
【００２１】
このような図１に示すように構成された光学測定装置において、ＡＦ用光電変換素子２６により撮影されて得られた画像情報に基づいて、フォーカス位置検出装置３１により行われる制御内容（光学測定評価方法および光学測定条件設定方法）を、図２を参照して説明する。
【００２２】
この光学測定は、まずウエハ把持装置３３により把持されてステージ上に載置されたウエハＷのグローバルアライメント（ウエハＷの回転位置の検出および補正）が行われる（ステップＳ１）。次に、位置ずれ測定対象となる位置検出パターンマークＭを第１対物レンズ７からの光が照射するように、ウエハ把持装置３３を駆動させてウエハＷの位置を移動させる制御が行われる（ステップＳ２）。
【００２３】
位置検出パターンマークＭの一例を図３に示しており、この例では、ウエハＷの表面に第１パターン層Ｌ１が形成されており、この第１パターン層Ｌ１の形成時に第１マークＭ１が形成され、この第１パターン層Ｌ１の上に第２パターン層Ｌ２の一部として第２マークＭ２が形成された場合を示している。なお、フォトリソグラフィー工程においては、ウエハＷ上に多数のレチクル（フォトマスク）パターンが縮小投影されて転写形成されるが、このとき各投影パターンに隣接して複数の位置検出パターンマークＭが形成され、各転写パターン毎の位置ずれ検出を行うことができるようになっている。
【００２４】
上述した光学測定装置の構成から分かるように、観察光学系１０において二次元光電変換素子１３により位置検出パターンマークＭの像が撮影され、この撮影された像に基づいて第１パターン層Ｌ１に対する第２パターン層Ｌ２の位置ずれが検出される。このときに、二次元光電変換素子１３に位置検出パターンマークＭの像を適切にフォーカス調整された状態で結像させるために、オートフォーカス光学系２０を用いて以下のような制御が行われる。
【００２５】
この制御ではまず、ステップＳ３においてＡＦオフセット値（初期値）が設定される。オートフォーカス調整はウエハ把持装置３３によりウエハＷを光軸方向（ウエハＷの表面に垂直な方向であり、この方向をＺ方向と称する）に移動させて行われるが、ステップＳ３ではオートフォーカス位置から予め所定量だけオフセットした位置に設定される。
【００２６】
そして、このようにオフセットした状態で二次元光電変換素子１３により撮影された位置検出パターンマークＭの像から第１マークＭ１および第２マークＭ２についての評価値計算を行う（ステップＳ４）。このステップＳ４における評価値計算を以下に詳しく説明する。
【００２７】
まず、二次元光電変換素子１２により撮影された位置検出パターンマークＭの像から第１マークＭ１の像領域と第２マークＭ２の像領域とを分離する。なお、この領域分離は、パターンの設計値に基づいて行っても良く、また、ティーチングによって行っても良い。そして、第１および第２マークＭ１，Ｍ２のそれぞれについて、横方向（図３のＸ方向）および縦方向（図３のＹ方向）における折り返し相関関数を計算する。なお、本例では自己折り返しパターンに基づいて相関関数を計算する手法を採用しているが、テンプレートパターンを用いて相関関数を算出しても良い。実際の測定演算では、第１および第２マークＭ１，Ｍ２のそれぞれのＸ方向およびＹ方向におけるピーク値Ｖｐの位置だけを求めるのではなく、この信号ピーク値Ｖｐの位置から両側に２ピクセルずつ離れた位置の相関値Ｖ(p+2)およびＶ(p-2)に基づいて、下記式（１）によりピークの鋭さを示す評価値Ｅを算出する。
【００２８】
(数１)
Ｅ＝Ｖｐ−｛Ｖ(p+2)＋Ｖ(p-2)｝／２    ・・・  （１）
【００２９】
相関値のピークＶｐのみを評価値Ｅとするのではなく、両隣の相関値Ｖ(p+2)およびＶ(p-2)を用いて式（１）から評価値Ｅを計算するのは、相関値が若干小さくても隣接する相関値との差が大きいとき（ピークが鋭いとき）には測定値が安定すると考えられるからであり、相関値の大きさと隣接する相関値との差の両者を鑑みて測定値が最も安定する評価値Ｅ（ピークの鋭さを示す評価値）を算出するようにしている。なお、この例では異なる画像からの評価値を比較するため、評価値算出の際には正規化を行っていない。
【００３０】
式（１）に基づく評価値Ｅは、上述のように第１および第２マークＭ１，Ｍ２のそれぞれのＸ方向およびＹ方向における評価値が算出され、これら評価値を、Ｅ(X1)，Ｅ(Y1)，Ｅ(X2)，Ｅ(Y2)とする。なお、Ｅ(X1)が第１マークＭ１のＸ方向の評価値であり、Ｅ(Y1)が第１マークＭ１のＹ方向の評価値であり、Ｅ(X2)が第２マークＭ２のＸ方向の評価値であり、Ｅ(Y2)が第２マークＭ２のＹ方向の評価値である。
【００３１】
次に、これら四つの評価値Ｅ(X1)，Ｅ(Y1)，Ｅ(X2)，Ｅ(Y2)のそれぞれの逆数の和から総合指標ＴＥを算出する（ステップＳ５）。各評価値Ｅ(X1)，Ｅ(Y1)，Ｅ(X2)，Ｅ(Y2)は望大特性であるため、総合指標ＴＥは望小特性となる。これにより、上記四つの評価値を用いて相対的に測定精度を制限している層に比重が置かれるような総合指標ＴＥが算出される。そして、ステップＳ６からステップＳ７に進み、ＡＦオフセット値のインクリメント値を加算し、ステップＳ３においてＡＦオフセット値をこのインクリメント値だけ変更した値となるようにウエハＷのＺ方向位置を修正する（インクリメント値に対応したＺ方向の移動を行わせるようにウエハ把持装置３３の駆動制御を行う）。
【００３２】
そして、このように変更されたＡＦオフセット位置で、ステップＳ４およびステップＳ５の演算を行い、各評価値Ｅ(X1)，Ｅ(Y1)，Ｅ(X2)，Ｅ(Y2)および総合指標ＴＥを求める。以下、同様にして、インクリメント値だけ変更しながら繰り返し演算を行って、各インクリメント値の変化に対応するＡＦオフセット位置での各評価値Ｅ(X1)，Ｅ(Y1)，Ｅ(X2)，Ｅ(Y2)および総合指標ＴＥを求める。
【００３３】
そして、所定範囲内でのＡＦオフセット位置における演算が完了した時点でステップＳ６からステップＳ８に進み、最適ＡＦ最適値を計算する。ここで、横軸にＡＦオフセット値を示し、上記のようにして求められた各評価値Ｅ(X1)，Ｅ(Y1)，Ｅ(X2)，Ｅ(Y2)を縦軸に示すグラフを図４に示し、縦軸に総合指標ＴＥを示すグラブを図５に示している。なお、演算された総合指標は図５において破線ＴＥ（ａ）で示している。
【００３４】
総合指標ＴＥが最小となるＡＦオフセット位置が最適フォーカス位置であるが、演算総合指標ＴＥ（ａ）は図示のように変動が大きいため、その近似値を所定多項式演算により求めており、その近似値指標を実線ＴＥ（ｂ）で示している。このこの近似値指標ＴＥ（ｂ）の最小値となるＡＦオフセット値＝０．２の位置が今回の最適フォーカス位置となる。
【００３５】
このようにして最適フォーカス位置となるＡＦオフセット値＝０．２が求められると、ステップＳ９に進み、ウエハ把持装置３３を駆動してこのＡＦオフセット位置となるような設定制御を行う。その後、二次元光電変換素子１３により撮影された位置検出パターンマークＭの像から位置ずれ検出が行われる（ステップＳ１０）。
【００３６】
なお、上記のようにして求められた総合指標ＴＥ（ａ）もしくはＴＥ（ｂ）に対して測定再現性を、図５において実線ＴＥ（ｃ）で示しているが、総合指標ＴＥ（ａ）およびＴＥ（ｂ）と測定再現性ＴＥ（ｃ）とが良い相関関係を持っていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る光学測定評価方法の対象となる光学測定装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る光学測定評価方法を用いた測定方法の内容を示すフローチャートである。
【図３】上記光学測定装置の測定対象となる位置検出パターンマークの一例を示す平面図および断面図である。
【図４】本発明に係る光学測定評価方法において算出される評価関数例を示すグラフである。
【図５】本発明に係る光学測定評価方法において算出される総合指標例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１    光源
４    ＡＦ用スリット板
５    投影レンズ
６    第１ハーフミラー
７    第１対物レンズ
８    第２ハーフミラー
１０  観察光学系
１１  第２対物レンズ
１３  二次元光電変換素子
２０  オートフォーカス光学系
２１  リレーレンズ
２２  全反射ミラー
２３  ナイフエッジ
２５  シリンドリカルレンズ
２６  ＡＦ用光電変換素子
３１  フォーカス位置検出装置
３２  フォーカスアクチュエータ駆動装置
３３  ウエハ把持装置
Ｗ    ウエハ
Ｍ    位置検出パターンマーク
Ｍ１  第１マーク
Ｍ２  第２マーク
【図１】
2006153621.tif 000003
【図２】
2006153621.tif 000004
【図３】
2006153621.tif 000005
【図４】
2006153621.tif 000006
【図５】
2006153621.tif 000007