(57)【要約】【課題】  アライメントマークが認識領域から外れた状況下でも、比較的短時間でアライメントマークを検出することを可能とするアライメントマーク、及びアライメントマークの検出方法を提供する。【解決手段】  本発明のアライメントマーク１は、位置検出に使用されるメインパターン１ｍと、メインパターン１ｍの周囲に近接して設けられた複数のサブパターン１ｓを備える。サブパターン１ｓはメインパターン１ｍと異なる形状を有しており、メインパターン１ｍとサブパターン１ｓとの間隔を、位置ずれによりメインパターン１ｍが認識領域外に位置するときに、少なくとも１のサブパターン１ｓが認識領域内に位置する間隔とすることで、サブパターン１ｓによりフォーカスを合わせることが可能となる。認識エラーによる測長ＳＥＭの動作停止を回避することができるとともに、比較的短時間で、位置検出を行うことができる。【選択図】  図１
2006135104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、当該基板上の各パターンの位置を指定するための基準位置を特定するアライメントマークにおいて、
前記基準位置を特定するパターンであるメインパターンと、
前記メインパターンの周囲に当該メインパターンに重なることなく配置されるとともに、当該メインパターンの平面形状と異なる平面形状を有する複数のサブパターンと、
を備えたことを特徴とするアライメントマーク。
【請求項２】
前記各サブパターンが、前記メインパターンに対して、前記メインパターンの検出に使用される検出装置に起因する位置ずれ量に基づいた距離に配置された請求項１に記載のアライメントマーク。
【請求項３】
基板上の所定領域に荷電ビームを照射することにより取得した画像データに基づいて、当該基板上に形成された各パターンの位置を指定するための基準位置を特定するパターンを検出するアライメントマークの検出方法において、
前記画像データから前記基準位置を特定するパターンであるメインパターンを検索するステップと、
前記検索においてメインパターンが検出されなかった場合に、前記メインパターンの周囲に配置された複数のサブパターンのうち、前記画像データ中に含まれるいずれかのサブパターンに対して、前記荷電ビームのフォーカスを合わせるステップと、
当該フォーカスの状態で、当初の画像データを取得した領域に比べて広い領域から前記メインパターンを検索するステップと、
を有することを特徴とするアライメントマークの検出方法。
【請求項４】
前記荷電ビームのフォーカスを合わせるステップにおいて、
前記画像データから前記サブパターンを検出し、当該検出したサブパターンに対して、前記荷電ビームのフォーカスを合わせる請求項３に記載のアライメントマークの検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アライメントマーク及びアライメントマークの検出方法に関し、半導体装置等の微細パターンの寸法測定に好適なアライメントマーク及びアライメントマークの検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化にともなって、フォトリソグラフィ法によって形成されたレジストパターンや、当該レジストパターンを利用して形成された金属パターン等の寸法測定に電子線等の荷電ビームが利用されている。
【０００３】
例えば、荷電ビームとして電子線を使用する寸法測定装置である測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）は、半導体基板上に形成された寸法測定パターンに電子線を照射する。そして、電子線の照射により寸法測定パターンの表面で生成された二次電子を検出し、検出された二次電子信号波形から寸法測定パターンのエッジを抽出しこのエッジの間隔から寸法を測定するのである（例えば、特許文献１）。
【０００４】
このような寸法測定パターンの測長を行う場合、寸法測定パターンは荷電ビームの直下に正確に位置合わせされる必要がある。
【０００５】
以下、従来の測長ＳＥＭにおける位置合わせを、図を用いて簡単に説明する。
【０００６】
図５は、寸法測定の対象となる半導体基板Ｓを模式的に示した平面図である。図５に示すように、半導体基板Ｓ上には、半導体基板Ｓの全体に渡って寸法の確認が可能となるように、寸法測定パターンを含む領域２が複数設けられている。また、半導体基板Ｓには、前記寸法測定パターンを含む領域２の位置を、基準位置からの相対的な位置関係で指定できるように、当該基準位置を特定するアライメントマーク１１が複数形成されている。
【０００７】
このような半導体基板Ｓの寸法測定パターンの測長を行う場合、測長ＳＥＭは半導体基板Ｓを所定の真空度にされた測定室に搬送するとともに、当該測定室内で平面方向に移動可能なステージ上に設置し、位置合わせを行う。
【０００８】
この位置合わせでは、まず、測長ＳＥＭはステージを移動し、半導体基板Ｓがステージ上に誤差なく配置された場合にアライメントマーク１１が存在する位置を、測定位置（電子線の直下）に位置させる。そして、低倍率（例えば、１００倍）の光学顕微鏡を介して半導体基板Ｓ上の平面形状を画像データとして取得し、当該画像データに対して、予め測長ＳＥＭに登録されているアライメントマークの形状と合致する形状を、パターンマッチング等により検索する。
【０００９】
このとき、検出されたアライメントマーク１１の位置は、ステージの移動を制御する際に使用されるステージの絶対座標として記憶される。このような検索は、指定された複数のアライメントマーク１１に対して実行される。そして、取得されたアライメントマーク１１の絶対座標に基づいて、半導体基板Ｓ上のパターンを指定する座標軸と、ステージの絶対座標軸の方向を一致させるためのθアライメントが、例えば、ステージ表面に直交する軸に対してステージを回転させる等により行われる。
【００１０】
次に、測長ＳＥＭは、光学顕微鏡に比べて高倍率（例えば、５千〜１万倍）の二次電子画像（以下、ＳＥＭ画像という）に切り替えて半導体基板Ｓ上の平面形状を画像データ（以下、ＳＥＭ画像データという）として取得し、上述の光学顕微鏡での位置合わせと同様の各アライメントマーク１１の検出、及びθアライメントを行うことで、より厳密な位置合わせを行う。
【００１１】
上述のようにして、位置合わせが完了すると、測長ＳＥＭは以下の手順で寸法測定パターンの測長を行う。なお、図６は、図５に示す寸法測定パターンを含む領域２を拡大して示した平面図である。
【００１２】
図６に示すように、寸法測定パターンを含む領域２には、所定の設計幅を有する矩形の平面形状を有する寸法測定パターン４が形成されるとともに、寸法測定パターン４が周辺に存在するパターンと明確に区別できるように、周辺に類似形状がない特長的なパターン３（ここでは、文字パターン）が形成されている。
【００１３】
まず、測長ＳＥＭは、アライメントマーク１１により特定される基準位置からの相対的な位置関係で指定された１つの寸法測定パターンを含む領域２が、電子線の直下に位置するようにステージを移動させ、当該ステージ位置においてＳＥＭ画像を取得する。
【００１４】
測長ＳＥＭには、例えば、特長的なパターン３の一部と寸法測定パターン４の一部とで構成される特長的なパターン領域５の形状が予め登録されており、当該登録されている形状と、取得したＳＥＭ画像とを比較することによって、特長的なパターン領域５の位置を特定する。
【００１５】
また、測長ＳＥＭには、前記特長的なパターン領域５の特定の位置（図６では、特長的なパターン領域５の上端）から、寸法測定パターン４上の寸法測定を行う測長位置６までの距離Ｌも登録されており、当該測長位置６において、寸法測定パターン４にフォーカスを合わせた後、当該寸法測定パターン４の幅方向に電子線を走査させる。
【００１６】
このとき得られる二次電子信号波形は、図７に示すように、電子線が横断した寸法測定パターン４の２つのエッジに対応するピークＰ１、Ｐ２を有するものとなる。したがって、これらのピークＰ１、Ｐ２の間隔を計測することにより寸法測定パターン４の測長を行うことができる。
【特許文献１】特開平５−９４９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上述の従来の寸法測定における位置合わせでは、光学顕微鏡を介して取得した画像データにおいてアライメントマーク１１の検出を行った後、ＳＥＭ画像においてアライメントマーク１１の検出を行う際に、光学顕微鏡を介して取得された画像データとＳＥＭ画像との間に、例えば、光学顕微鏡の光軸と、電子線の出射軸とが完全に一致していないこと等に起因する位置ずれが発生する場合がある。このような位置ずれは、機械精度上避けられないものであり、具体的には、数μmから１０μm程度の位置ずれが生じている。
【００１８】
このため、光学顕微鏡による位置合わせによって取得した絶対座標に基づいて、アライメントマーク１１を中央に位置させた場合でも、ＳＥＭ画像に切り替えたときには、アライメントマーク１１がＳＥＭ画像の中央に表示されないことがある。すなわち、図８に示すように、アライメントマーク１１がＳＥＭ画像２０内で偏ったり、図９に示すように、ＳＥＭ画像２０からはみ出したり、さらには、図１０に示すように、完全にＳＥＭ画像２０の外部に存在する状況が発生する。
【００１９】
従来の測長ＳＥＭでは、検出しようとする形状がＳＥＭ画像２０上に存在しない場合、予め登録されている形状に最も類似した形状を検索する。そして、類似した形状が存在しない場合には、検索範囲、すなわちＳＥＭ画像２０の取得領域を拡大してアライメントマーク１１の検索を実行する。
【００２０】
しかしながら、測長ＳＥＭは、アライメントマーク１１がＳＥＭ画像２０中に存在することを前提として、自動的にフォーカスを合わせる構成になっているため、ＳＥＭ画像２０中にアライメントマーク１１が存在しない場合（図１０）には、フォーカスを合わせる対象となるパターンがＳＥＭ画像内に存在しないため、フォーカスを合わせることができない。したがって、フォーカスが合っていない状態で登録されている形状を検索しようとするため、アライメントマークの認識エラーが発生して測定動作が停止し、作業効率が低下してしまう。
【００２１】
この対策として、低倍率での位置合わせを、ＳＥＭ画像を利用して行うことも可能であるが、ＳＥＭ画像を取得するには、画像取得領域全体に対して電子線を、解像度に応じたビーム径で走査させる必要があるため、画像取得領域が大きくなるとＳＥＭ画像を取得するために要する時間が著しく増大してしまう。
【００２２】
寸法測定パターンの測長は、半導体装置の形成過程において、加工精度を確認するために行われるものであり、この確認に時間を要することは、工程のスループットを低下させることになるため好ましくない。
【００２３】
本発明は、上記従来の事情に基づいて提案されたものであって、アライメントマークが認識領域から外れた状態にあるときに、比較的短時間でアライメントマークを検出することを可能とするアライメントマーク、及びアライメントマークの検出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】
【００２４】
上記の目的を達成するため、本発明は、以下の手段を採用している。すなわち、本発明は、基板上の各パターンの位置を指定するための基準位置を特定するために基板上に形成されるアライメントマークを前提としている。そして、本発明に係るアライメントマークは、前記基準位置の特定するパターンであるメインパターンと、当該メインパターンの周囲に当該メインパターンに重なることなく配置されるとともに、当該メインパターンの平面形状と異なる平面形状を有する複数のサブパターンとを備えた構成を採用している。
【００２５】
本構成によれば、基板上の所定領域に荷電ビームを照射することにより取得した画像データに基づいてアライメントマークを検出する際に、検出装置に起因する位置ずれにより、メインパターンが画像データ内に存在しない場合であっても、画像データ内にサブパターンを存在させることが可能となる。このため、当該サブパターンを用いて、荷電ビームのフォーカスを合わせることができる。なお、前記各サブパターンは、前記メインパターンに対して、前記メインパターンの検出に使用される検出装置に起因する位置ずれ量に基づいた距離に配置することが好ましい。
【００２６】
一方、他の観点では、本発明は、上記アライメントマークの検出に好適な、アライメントマークの検出方法を提供することができる。まず、本発明は、基板上の所定領域に荷電ビームを照射することにより取得した画像データに基づいて、基板上の各パターンとの相対的な位置関係の基準位置を特定するために基板上に形成されたパターンを検出するアライメントマークの検出方法を前提としている。そして、本発明に係るアライメントマークの検出方法は、画像データから前記基準位置を特定するパターンであるメインパターンを検索するステップと、前記検索においてメインパターンが検出されなかった場合に、前記メインパターンの周囲に配置された複数のサブパターンのうち、前記画像データ中に含まれるいずれかのサブパターンに対して、前記荷電ビームのフォーカスを合わせるステップと、当該フォーカスの状態で、当初の画像データを取得した領域に比べて広い領域から前記メインパターンを検索するステップとを有する。
【００２７】
このようにすれば、メインパターンが、装置に起因した位置ずれによって荷電ビームの照射により取得した画像データの外部に存在する場合であっても、フォーカスが合った状態で、アライメントマークの再検索を行うため、従来に比べ、比較的短時間でアライメントマークを検出することができる。なお、上記サブパターンに対してフォーカスを合わせる際には、上記画像データ中からサブパターンを検出した上で、フォーカスを合わせてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明よれば、装置に起因する位置ずれが発生した場合のアライメントマークの認識率を向上させることができるとともに、この状況下での、アライメントマークの検出を比較的短時間で行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係るアライメントパターン及びアライメントパターンの検出方法について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
図１は、本発明に係るアライメントマーク１の一例を示す平面図である。また、図２は、当該アライメントマーク１を半導体基板Ｓ上に配置した状態を示す平面図である。
【００３１】
図１に示すように、本発明に係るアライメントマーク１は、基板上に形成された各パターンの位置を相対的に指定する際の基準となる基板上の基準位置を特定するために使用されるメインパターン１ｍと、当該メインパターン１ｍの周囲に配置された複数のサブパターン１ｓとを備えている。サブパターン１ｓは、メインパターン１ｍとパターンマッチングを行う上で、異なる平面形状と認識可能な平面形状の差異を有していればよく、その形状は特に限定されるものはない。図１の例では、アライメントマーク１のメインパターン１ｍを従来のアライメントマークと同一の十字形のパターンとし、また、各サブパターン１ｓを矩形パターンとして形成している。
【００３２】
なお、上記メインパターン１ｍとサブパターン１ｓとは、例えば、半導体基板Ｓ上に同一の加工工程で加工されるパターン（同一レイヤ）として形成する等により、荷電ビームの合焦点位置が互いに等価となるように構成されている。また、当該アライメントマーク１が形成される位置、及びその近傍には、その下層に存在するレイヤも含めて、他のパターンは形成されないことが好ましい。このようにすれば、当該アライメントマーク１は、平坦な面上に、周囲に検出を妨害するパターンがない状態で形成されることになるため、より確実にアライメントマーク１を検出することができる。
【００３３】
上記メインパターン１ｍの寸法は、荷電ビーム（ここでは、電子線）を照射して画像データを取得する際の荷電ビームを照射する領域のサイズ（ＳＥＭ画像として取得する領域のサイズ）に基づいて、適宜、設計することができる。すなわち、当該画像データに基づいて、パターンマッチング等によりメインパターン１ｍを検索する際に、当該メインパターン１ｍを確実に認識できるサイズであればよい。例えば、荷電ビーム照射領域のサイズが２０μｍ×２０μｍである場合、メインパターン１ｍの外形は１０μｍ×１０μｍ程度とすればよい。
【００３４】
また、各サブパターン１ｓの寸法及び配置数も、特に限定されるものではないが、ここでは後述の理由により、２μｍ×２μｍの矩形パターンを、メインパターン１ｍの十字形を構成するパターンの各中心線からそれぞれ所定間隔ｄだけ離れた直線により構成される四辺形の各辺上に、それぞれ３つのサブパターン１ｓを配置している。
【００３５】
なお、メインパターン１ｍ中央部とサブパターン１ｓ中央部との間隔ｄは、メインパターン１ｍを検出する装置（ここでは、測長ＳＥＭ）に起因する位置ずれ量の値に基づいて設計されることが好ましい。例えば、測長ＳＥＭに起因する位置ずれが最大で１０μｍ程度であることが予想される場合、メインパターン１ｍ中央部とサブパターン１ｓ中央部との間隔ｄは１０μｍにすればよい。
【００３６】
さて、図２に示すように、以上で説明したアライメントマーク１は、上記従来のアライメントマーク１１と同様に半導体基板Ｓ上の所定位置に複数形成される。図２の例では、半導体基板Ｓ上の中心と同心の円周上の４箇所にアライメントマーク１が形成された状態を示している。なお、アライメントマーク１の形成位置及び形成数は、特に限定されるものではなく、半導体基板Ｓの口径等に応じて、所望の位置に所望の数を形成すればよい。
【００３７】
また、半導体基板Ｓ上には、上記アライメントマーク１により特定される基準位置からの相対的な位置関係により指定される位置に、寸法測定パターンを含む領域２が形成される。当該寸法測定パターンを含む領域２は、従来と同一であるため、ここでの説明は省略する。
【００３８】
なお、基準位置とは、上記アライメントマーク１により特定される位置を指すものであり、半導体基板Ｓ上の特定の１点（原点）であるか、複数の点であるかは問わない。例えば、複数のアライメントマーク１により特定される半導体基板Ｓの中心点等の１点を基準位置としてもよく、また、各アライメントマーク１上の一点（例えば、アライメントマークの中央）をそれぞれ基準位置としてもよい。
【００３９】
次に、上述のアライメントマーク１を形成した半導体基板Ｓにおいて、アライメントマークを検出する方法を説明する。
【００４０】
上記従来技術での説明と同様に、本発明に係るアライメントマーク１においても、低倍率の光学顕微鏡による位置合わせが行われた後、荷電ビームによる画像、すなわち、ＳＥＭ画像に切り替えて位置合わせが行われる。このとき、測長ＳＥＭに起因した上記位置ずれが発生した場合、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、アライメントマーク１はＳＥＭ画像２０の中央に表示されない状況となる。
【００４１】
例えば、図３（ｂ）に示すように、メインパターン１ｍが、完全にＳＥＭ画像２０の外部に存在する状況下では、測長ＳＥＭが、予め測長ＳＥＭに登録されたメインパターン１ｍの平面形状に基づいてＳＥＭ画像２０中を検索しても、メインパターン１ｍを検出することはできない。
【００４２】
しかしながら、本発明のアライメントマーク１は、上述のようにメインパターン１ｍの周囲に、各サブパターン１ｓを配置しているため、例えば測長ＳＥＭに起因する１０μｍの位置ずれが発生した場合でも、少なくともいずれかの１つのサブパターン１ｓはＳＥＭ画像２０内に表示されることになる。したがって、例えば、当該サブパターン１ｓのパターンエッジに対応する二次電子信号のコントラスト（強弱）が最大になるように、荷電ビームのフォーカス位置を調整する等により、当該サブパターン１ｓ対して、荷電ビームのフォーカスを合わせることができる。
【００４３】
このようにして、サブパターン１ｓに対してフォーカスを合わせた後、このフォーカスの状態で、当初の画像データを取得した領域に比べて広い領域に対して荷電ビームを照射してＳＥＭ画像を取得することにより、フォーカスが合った状態でメインパターン１ｍを含むＳＥＭ画像を取得することが可能となる。
【００４４】
この様にして新たに取得したＳＥＭ画像に対して、予め測長ＳＥＭに登録されているメインパターン１ｍの平面形状を検索することで、当初取得したＳＥＭ画像内に表示されていなかったメインパターン１ｍを確実に検出することができる。すなわち、従来のアライメントマーク検出方法に比べて、アライメントマークの認識率を向上させることが可能となるのである。また、フォーカスが合った状態でアライメントマーク１の再検索を行うため、アライメントマークの検出に要する時間は従来に比べて短縮されることになる。
【００４５】
さらに、本実施の形態では、図１に示すように、メインパターン１ｍに比べて寸法が小さいサブパターン１ｓを、平面視において上下左右と斜めの全方法に配置しているため、上記装置に起因する位置ずれが、いずれの方向に対して生じた場合であっても、上述の作用・効果を奏することができる。
【００４６】
なお、上記サブパターン１ｓに荷電ビームのフォーカスを合わせる際には、測長ＳＥＭに予めサブパターン１ｓの平面形状を登録しておき、上記画像データ２０からサブパターン１ｓを検出するようにしてもよい。このようにすれば、サブパターン１ｓと異なるパターンに対してフォーカスが合わされることがないため、より確実にサブパターン１ｓに対して荷電ビームのフォーカスを合わせることができる。
【００４７】
以上説明したように、本発明によれば、従来、装置に起因する位置ずれにより、ＳＥＭ画像内にアライメントマークが存在しなかった場合に、アライメントマークの認識エラーとして測長ＳＥＭの測定動作の停止が発生していた状況下であっても、アライメントマークを検出することが可能となる。
【００４８】
したがって、本発明を採用することにより、測長ＳＥＭは、上記アライメントマーク１を確実に検出して位置合わせを行った後、従来と同様に半導体基板Ｓ上に形成されたいずれかの寸法測定パターンを含む領域２が荷電ビームの直下に位置するようにステージを移動させ、寸法測定パターン４の測定を行うことができる。このため、測長ＳＥＭにおいて、ウエハの位置合わせから寸法測定パターンの検出・測長までの動作を全て自動的に行わせる際のスループットを著しく向上させることが可能になる。
【００４９】
ところで、上記の例では、測長ＳＥＭに起因する位置ずれに対して余裕度をもたせるために、従来のアライメントマーク１１と同様に、メインパターン１ｍをＳＥＭ画像２０のサイズに比べてかなり小さい寸法として説明した。しかしながら、本発明によれば、メインパターン１ｍが、ＳＥＭ画像２０の外部に存在する場合であっても、これを確実に検出することができるので、このような余裕を設ける必要はない。つまり、本発明に係るアライメントマーク１のメインパターン１ｍは、ＳＥＭ画像２０のサイズを上限として、より大きな寸法を採用することも可能である。
【００５０】
このように、本発明に係るアライメントマーク１によれば、従来のアライメントマーク１１に比べて大きなサイズのメインパターン１ｍを採用することができるので、特に、より高倍率（ＳＥＭ画像２０のサイズが小さい）での位置合わせに使用するアライメントマークでは、パターンの認識性が高めることができるという効果も得ることができる。
【００５１】
なお、上記では、アライメントマーク１を検出する装置を測長ＳＥＭとして説明したが、本発明は、移動可能に設けられたステージ上に半導体基板Ｓを配置して位置合わせを行う装置の全てに適用可能である。
【００５２】
また、以上で説明したアライメントマーク１の形状は、具体例を示したものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。すなわち、本発明のアライメントマーク１は、メインパターン１ｍの周囲に複数のサブパターン１ｓを備えていればよく、任意に設計を行うことができる。例えば、図４（ａ）に示すようにサブパターン１ｓが円形であって、また、図４（ｂ）に示すように、サブパターン１ｓが、メインパターン１ｍの中央部を中心とした円周上に配置されていても、当然に同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、被検物に荷電ビームを照射することで、被検物の平面形状を画像データとして取得する際に、被検物上に形成されているアライメントマークを比較的短時間で検出することができ、例えば、寸法測定における自動位置合わせ等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のアライメントマークの一例を示す平面図。
【図２】半導体基板上に配置された本発明のアライメントマークを示す平面図。
【図３】本発明のアライメントマーク検出方法を示す説明図。
【図４】本発明のアライメントマークの他の例を示す平面図。
【図５】半導体基板上に配置された従来のアライメントマークを示す平面図。
【図６】従来の自動寸法測定方法を示す説明図。
【図７】従来の自動寸法測定方法を示す説明図。
【図８】従来のアライメントマーク検出方法を示す説明図。
【図９】従来のアライメントマーク検出方法を示す説明図。
【図１０】従来のアライメントマーク検出方法を示す説明図。
【符号の説明】
【００５５】
１  アライメントマーク
１ｍ  メインパターン
１ｓ  サブパターン
２  寸法測定パターンを含む領域
３  特長的なパターン
４  寸法測定パターン
５  特長的なパターン領域
６  測長位置
７  二次電子信号波形
１１  アライメントマーク
２０  ＳＥＭ画像
Ｓ  半導体基板
【図１】
2006135104.tif 000003
【図２】
2006135104.tif 000004
【図３】
2006135104.tif 000005
【図４】
2006135104.tif 000006
【図５】
2006135104.tif 000007
【図６】
2006135104.tif 000008
【図７】
2006135104.tif 000009
【図８】
2006135104.tif 000010
【図９】
2006135104.tif 000011
【図１０】
2006135104.tif 000012