(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハ上に形成されたパターンの像の画像信号を検出し、画像信号の波形の仮想中心位置から左右等しい距離にある画像信号の差の二乗を積算する対称性評価関数の値を算出し、対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置をパターンの中心位置として検出し、パターンの中心位置のずれ量を求める重ね合わせ誤差測定方法であって、
対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、前記画像信号の波形の仮想中心位置から左右等しい距離にある画像信号の差の二乗の積算範囲を設定することを特徴とする重ね合わせ誤差測定方法。
【請求項２】
照明光を発生する光源と、
前記光源が発生した照明光を半導体ウェーハの表面へ照射する投光系と、
半導体ウェーハの表面からの反射光を受光する受光系と、
前記受光系で受光した光の強度から半導体ウェーハ上に形成されたパターンの像の画像信号を検出する画像信号検出手段と、
前記画像信号検出手段が検出した画像信号の波形の仮想中心位置から左右等しい距離にある画像信号の差の二乗を積算する対称性評価関数の値を算出する処理と、
対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置をパターンの中心位置として検出する処理と、
パターンの中心位置のずれ量を求める処理とを行う画像信号処理手段とを備えた重ね合わせ誤差測定装置であって、
前記画像信号処理手段は、対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、前記画像信号の波形の仮想中心位置から左右等しい距離にある画像信号の差の二乗の積算範囲を設定することを特徴とする重ね合わせ誤差測定装置。
【請求項３】
受光系のフォーカス位置を調整して半導体ウェーハ上に形成されたパターンの像の画像信号を検出し、画像信号の波形の仮想中心位置から左右等しい距離にある画像信号の差の二乗を積算する対称性評価関数の値を算出し、対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置をパターンの中心位置として検出し、パターンの中心位置のずれ量を求める重ね合わせ誤差測定方法であって、
受光系のフォーカス位置に応じて対称性評価関数の極小値を正規化し、正規化した極小値が最も小さくなるように、受光系フォーカス位置を調整することを特徴とする重ね合わせ誤差測定方法。
【請求項４】
照明光を発生する光源と、
前記光源が発生した照明光を半導体ウェーハの表面へ照射する投光系と、
半導体ウェーハの表面からの反射光を受光する受光系と、
前記受光系のフォーカス位置を調整するフォーカス調整手段と、
前記受光系で受光した光の強度から半導体ウェーハ上に形成されたパターンの像の画像信号を検出する画像信号検出手段と、
前記画像信号検出手段が検出した画像信号の波形の仮想中心位置から左右等しい距離にある画像信号の差の二乗を積算する対称性評価関数の値を算出する処理と、
対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置をパターンの中心位置として検出する処理と、
パターンの中心位置のずれ量を求める処理とを行う画像信号処理手段とを備えた重ね合わせ誤差測定装置であって、
前記画像信号処理手段は、前記受光系のフォーカス位置に応じて対称性評価関数の極小値を正規化し、
前記フォーカス調整手段は、正規化した対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、
前記受光系のフォーカス位置を調整することを特徴とする重ね合わせ誤差測定装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項３に記載の重ね合わせ誤差測定方法を用いて、パターンの重ね合わせ精度を検査することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
請求項２又は請求項４に記載の重ね合わせ誤差測定装置を用いて、パターンの重ね合わせ精度を検査することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの製造工程で半導体ウェーハ上に形成されたパターンの重ね合わせ誤差を測定する重ね合わせ誤差測定方法、重ね合わせ誤差測定装置、及びそれらを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体デバイスの製造工程では、いわゆるフォトリソグラフィー技術により、回路パターンを形成している。フォトリソグラフィー技術では、縮小投影露光装置を用いて、レチクルやフォトマスクに形成されたパターンを、感光材料（レジスト）を塗布した半導体ウェーハ上に転写する。そして、現像処理によってレジストパターンを形成し、さらに、このレジストパターンをマスクとしてドライエッチングにより回路パターンを形成する。半導体デバイスを半導体ウェーハ上に構成するためには、このような回路パターンの形成を２０回〜３０回程度繰り返す必要がある。
【０００３】
半導体デバイスの回路パターンの重ね合わせ精度は、ＳＩＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）  Ｒｏａｄｍａｐ  ２０００年の表１「Ｐｒｏｄｕｃｔ  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｌｅｖｅｌ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ」に示されているような精度が要求される。
【０００４】
一般に、回路パターンの重ね合わせ精度の検査は、半導体デバイスの製造工程で回路パターンの他に測定用パターンを形成し、重ね合わせ誤差測定装置を用いてこの測定用パターンの重ね合わせ誤差を測定することにより行われている。重ね合わせ誤差測定装置は、測定用パターンの像の画像信号を検出し、検出した画像信号を処理して測定用パターンの中心位置を検出し、測定用パターンの中心位置のずれ量を求めるものである。
【０００５】
パターンの像の画像信号からパターンの中心位置を検出する手法として、特許文献１に記載の対称性マッチング法が知られている。対称性マッチング法では、画像信号の波形の仮想中心位置から左右等しい距離にある画像信号の差の二乗を積算する対称性評価関数を用い、仮想中心位置を変化させながら対称性評価関数の値を算出して、対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置をパターンの中心位置として検出する。
【特許文献１】特開平６−１５１２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、対称性マッチング法では、対称性評価関数の積算範囲を広くする程、データ量が多くなり安定した検出を行うことができる。しかしながら、測定対象のパターンの段差に非対称性が有ると、画像信号の波形が非対称となるため、対称性評価関数の形状に歪みが生じ、測定誤差が発生するという問題があった。
【０００７】
これに対し、特許文献１には、画像信号の波形が非対称的になっている領域を求め、この領域を除いた対称性の良い領域を局所的な区間として積算範囲とする技術が開示されている。しかしながら、画像信号の波形が非対称的になっている領域を求めるためには、画像信号の極大点、極小点、変曲点等の特徴点を検出して比較する複雑な処理が必要となる。
【０００８】
本発明の課題は、対称性マッチング法を用い、簡単な処理でパターンの段差の非対称性の影響を除去して、パターンの重ね合わせ誤差を精度良く測定することである。また、本発明の課題は、パターンの重ね合わせ精度を向上して、高品質な半導体デバイスを製造することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の特徴は、対称性マッチング法において、対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、対称性評価関数の積算範囲を設定することである。
【００１０】
また、本発明の第２の特徴は、対称性マッチング法において、対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、受光系のフォーカス位置を調整することである。このとき、受光系のフォーカス位置が合焦点位置に近い程、受光系で受光する光の強度が強くなり、パターンの像の画像信号が大きくなるので、受光系のフォーカス位置に応じて対称性評価関数の極小値を正規化する。
【００１１】
従来、対称性マッチング法では、対称性評価関数の値が極小となる位置が重要であって、極小値の大きさ自体は重要視されていなかった。本発明では、対称性評価関数の極小値の大きさに着目した。パターンの段差がほぼ対称であると、画像信号の波形がほぼ対称となるため、対称性評価関数の極小値は零に近くなる。一方、パターンの段差に非対称性が有ると、画像信号の波形が非対称となるため、対称性評価関数の極小値は大きくなる。本発明では、対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、対称性評価関数の積算範囲を設定し、または受光系のフォーカス位置を調整する。これにより、パターンの段差の非対称性の影響が最も除去されて、検出される中心位置が真の値に近づく。画像信号の波形が非対称的になっている領域を求める複雑な処理は、必要ない。
【００１２】
本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記のいずれかの特徴を備えた重ね合わせ誤差測定方法又は重ね合わせ誤差測定装置を用いて、パターンの重ね合わせ精度を検査するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、対称性評価関数の積算範囲を設定することにより、簡単な処理でパターンの段差の非対称性の影響を除去して、パターンの重ね合わせ誤差を精度良く測定することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、受光系のフォーカス位置に応じて対称性評価関数の極小値を正規化し、正規化した極小値が最も小さくなるように、受光系のフォーカス位置を調整することにより、簡単な処理でパターンの段差の非対称性の影響を除去して、パターンの重ね合わせ誤差を精度良く測定することができる。
【００１５】
本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、パターンの重ね合わせ精度を向上して、高品質な半導体デバイスを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態による重ね合わせ誤差測定装置の概略構成を示す図である。重ね合わせ誤差測定装置は、チャック１０、ステージ１１、光源２０、投光系、受光系、検出器３２，３３、画像信号処理回路４０、制御装置５０、及びステージ駆動回路６０を含んで構成されている。
【００１７】
表面に測定用パターンが形成された半導体ウェーハ１が、チャック１０上に固定されている。ステージ１１は、チャック１０を搭載しながら、ＸＹ方向へ移動し、θ方向に回転し、またＺ軸方向に移動する。ステージ駆動回路６０は、制御装置５０の制御により、ステージ１１を駆動する。ステージ１１のＸＹ方向への移動及びθ方向への回転によって、半導体ウェーハ１上の測定用マークの位置決めが行われる。また、ステージ１１のＺ軸方向への移動によって、受光系のフォーカス位置が調整される。
【００１８】
なお、ステージ１１により半導体ウェーハ１を移動する代わりに、受光系を移動させることによって、測定用マークの位置決め及び受光系のフォーカス位置の調整を行ってもよい。
【００１９】
光源２０は、例えば水銀ランプ等から成り、照明光を発生する。投光系は、ライトガイド２１、照明用開口絞り２２、照明用リレーレンズ２３、ハーフミラー２４、及び対物レンズ２５を含んで構成されている。光源２０から発生した照明光は、ライトガイド２１、照明用開口絞り２２、照明用リレーレンズ２３を通り、ハーフミラー２４で反射されて、対物レンズ２５から半導体ウェーハ１の表面へ照射される。
【００２０】
受光系は、対物レンズ２５、ハーフミラー２４、結像レンズ３０、及びハーフミラー３１を含んで構成されている。半導体ウェーハ１の表面からの反射光は、対物レンズ２５で集光され、ハーフミラー２４を透過した後、結像レンズ３０を通って、ハーフミラー３１へ入射する。
【００２１】
ハーフミラー３１へ入射した反射光の約半分は、ハーフミラー３１を透過して検出器３２の受光面で結像する。ハーフミラー３１へ入射した反射光の残り約半分は、ハーフミラー３１で反射されて検出器３３の受光面で結像する。検出器３２，３３は、ＣＣＤラインセンサーから成り、一方はＸ方向、他方はＹ方向に複数の画素が配列されている。検出器３２，３３は、受光面で受光した光の強度に応じた画像信号を画像信号処理回路４０へ出力する。
【００２２】
なお、検出器３２，３３の代わりに２次元のエリアセンサーを用いてもよく、その場合、ハーフミラー３１は不要である。
【００２３】
画像信号処理回路４０は、Ａ／Ｄ変換器、画像メモリ、ディジタル信号処理装置（ＤＰＳ）等を含んで構成されている。画像信号処理回路４０は、検出器３２，３３からの画像信号をディジタル信号に変換した後、対称性評価関数の値を算出する処理と、対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置を測定用パターンの中心位置として検出する処理と、測定用パターンの中心位置のずれ量を求める処理とを行う。
【００２４】
まず、画像信号処理回路４０のこれらの処理について説明する。図２（ａ）は測定用パターンの一例の断面図、図２（ｂ）は測定用パターンの像の画像信号の一例を示す図である。一般に、測定用パターンは、エッチングパターンとレジストパターンとで構成されている。図２（ａ）はこれらのうちレジストパターンの例を示しており、半導体ウェーハの表面に形成された膜２の上に、２つのレジストパターン３ａ，３ｂが形成されている。図２（ａ）の測定用パターンに対し、検出器３２は、一例として図２（ｂ）に示す画像信号を出力する。
【００２５】
図２（ｂ）に示す画像信号について、画像信号処理回路４０は、まず、仮想中心位置のＸ座標を変化させながら、対称性評価関数の値を算出する処理を行う。対称性評価関数は、画像信号の波形の仮想中心位置から左右等しい距離にある画像信号の差の二乗を積算するもので、その詳細は特許文献１に記載されている。図３は、算出された対称性評価関数の値の一例を示す図である。本例は、図２（ｂ）に示す画像信号について、積算範囲をＷ１に設定して対称性評価関数の値を算出した例を示している。
【００２６】
続いて、画像信号処理回路４０は、対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置をレジストパターン３ａ，３ｂの中心位置として検出する処理を行う。図３に示した例では、対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置のＸ座標Ｘ１を検出し、これを２つのレジストパターン３ａ，３ｂのＸ方向の中心位置とする。
【００２７】
画像信号処理回路４０は、エッチングパターンについても、同様にしてＸ方向の中心位置の検出を行う。そして、エッチングパターンの中心位置とレジストパターンの中心位置とのずれ量を求める処理を行って、Ｘ方向の重ね合わせ誤差を測定する。画像信号処理回路４０は、検出器３３が出力するＹ方向の画像信号についても同様の処理を行い、Ｙ方向の重ね合わせ誤差を測定する。
【００２８】
次に、本発明の第１の特徴について説明する。本発明の第１の特徴は、画像信号処理回路４０が、対称性評価関数の値を算出する処理において、対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、対称性評価関数の積算範囲を設定することである。
【００２９】
ここで、対称性評価関数の極小値が最も小さくなる積算範囲は、例えば、複数の異なる積算範囲で対称性評価関数の値を算出し、その結果に基づいて決定する。以下、図２（ｂ）に示す画像信号について、積算範囲をＷ１及びＷ２として対称性評価関数の値を算出した例について説明する。
【００３０】
図４は、対称性評価関数の値が極小となる部分を拡大して示した図であって、図４（ａ）は積算範囲をＷ１とした例、図４（ｂ）は積算範囲をＷ２とした例である。図４（ａ）に示すように、積算範囲をＷ１とした例では、対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置のＸ座標はＸ１となり、極小値はほぼ零となった。一方、図４（ｂ）に示すように、積算範囲をＷ２とした例では、対称性評価関数の値が極小となる仮想中心位置のＸ座標はＸ２となり、極小値が大きくなった。
【００３１】
これらの結果から、対称性評価関数の積算範囲をＷ１に設定すると、積算範囲をＷ２に設定する場合に比べ、対称性評価関数の極小値が小さくなるので、パターンの段差の非対称性の影響が少なくなる。従って、２つのレジストパターン３ａ，３ｂのＸ方向の中心位置として検出されるＸ座標Ｘ１は、Ｘ２よりも、真の値に近いものとなる。
【００３２】
なお、以上説明した例では積算範囲をＷ１及びＷ２の２つとしていたが、本発明では、適当な範囲及び数の複数の積算範囲で対称性評価関数の値を算出し、その結果に基づいて積算範囲を決定すればよい。対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、対称性評価関数の積算範囲を設定することにより、パターンの段差の非対称性の影響が最も除去されて、検出される中心位置が真の値に近づく。
【００３３】
次に、本発明の第２の特徴について説明する。本発明の第２の特徴は、対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、受光系のフォーカス位置を調整することである。このとき、受光系のフォーカス位置が合焦点位置に近い程、受光系で受光した光の強度が強くなり、パターンの像の画像信号が大きくなるので、受光系のフォーカス位置に応じて対称性評価関数の極小値を正規化する。
【００３４】
ここで、対称性評価関数の極小値が最も小さくなるフォーカス位置は、例えば、複数の異なるフォーカス位置で測定用パターンの像の画像信号を検出し、各フォーカス位置で検出した画像信号について対称性評価関数の値を算出して決定する。図１に示した実施の形態おいて、ステージ駆動回路６０は、制御回路５０の制御により、ステージ１１をＺ軸方向へ駆動し、受光系のフォーカス位置を変化させる。検出器３２，３３は、複数の異なるフォーカス位置で測定用パターンの像の画像信号を検出する。画像信号処理回路４０は、各フォーカス位置で検出した画像信号について対称性評価関数の値を算出する処理を行い、フォーカス位置に応じて対称性評価関数の極小値を正規化する。
【００３５】
図５は、正規化した対称性評価関数の極小値のフォーカス位置による変化を示す図であって、図５（ａ）は測定用パターンの段差がほぼ対称の場合の例、図５（ｂ）は測定用パターンの段差が非対称性を有する場合の例である。図５（ａ）に示すように、測定用パターンの段差がほぼ対称の場合、正規化した対称性評価関数の極小値はフォーカス位置によらずほぼ一定となる。一方、図５（ｂ）に示すように、測定用パターンの段差が非対称性を有する場合、正規化した対称性評価関数の極小値はフォーカス位置によって変化する。
【００３６】
図５（ｂ）に示す例では、フォーカス位置Ｆ１で、正規化した対称性評価関数の極小値が最も小さくなっており、パターンの段差の非対称性の影響が最も少なくなっている。従って、制御回路５０によりステージ駆動回路６０を制御してステージ１１をＺ軸方向へ駆動し、受光系のフォーカス位置をこの位置に調整することにより、パターンの段差の非対称性の影響が最も除去されて、検出される中心位置が真の値に近づく。
【００３７】
なお、正規化した対称性評価関数の極小値が最も小さくなるフォーカス位置は、合焦点位置と一致するとは限らない。本発明では、合焦点位置に関係なく、正規化した対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、受光系のフォーカス位置を決定すればよい。
【００３８】
以上説明した実施の形態によれば、画像信号処理回路４０が、対称性評価関数の極小値が最も小さくなるように、対称性評価関数の積算範囲を設定することにより、簡単な処理でパターンの段差の非対称性の影響を除去して、パターンの重ね合わせ誤差を精度良く測定することができる。
【００３９】
また、以上説明した実施の形態によれば、画像信号処理回路４０が、受光系のフォーカス位置に応じて対称性評価関数の極小値を正規化し、制御回路５０、ステージ駆動回路６０及びステージ１１からなるフォーカス調整手段が、正規化した極小値が最も小さくなるように、受光系のフォーカス位置を調整することにより、簡単な処理でパターンの段差の非対称性の影響を除去して、パターンの重ね合わせ誤差を精度良く測定することができる。
【００４０】
本発明の重ね合わせ誤差測定方法又は重ね合わせ誤差測定装置を用いて、パターンの重ね合わせ精度を検査することにより、パターンの重ね合わせ精度を向上して、高品質な半導体デバイスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施の形態による重ね合わせ誤差測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）は測定用パターンの一例の断面図、図２（ｂ）は測定用パターンの像の画像信号の一例を示す図である。
【図３】算出された対称性評価関数の値の一例を示す図である。
【図４】対称性評価関数の値が極小となる部分を拡大して示した図であって、図４（ａ）は積算範囲をＷ１とした例、図４（ｂ）は積算範囲をＷ２とした例である。
【図５】正規化した対称性評価関数の極小値のフォーカス位置による変化を示す図であって、図５（ａ）は測定用パターンの段差がほぼ対称の場合の例、図５（ｂ）は測定用パターンの段差が非対称性を有する場合の例である。
【符号の説明】
【００４２】
１  半導体ウェーハ
２  膜
３ａ，３ｂ  レジストパターン
１０  チャック
１１  ステージ
２０  光源
２１  ライトガイド
２２  照明用開口絞り
２３  照明用リレーレンズ
２４，３１  ハーフミラー
２５  対物レンズ
３０  結像レンズ
３２，３３  検出器
４０  画像信号処理回路
５０  制御装置
６０  ステージ駆動回路
【図１】
0004611663.tif 000002
【図２】
0004611663.tif 000003
【図３】
0004611663.tif 000004
【図４】
0004611663.tif 000005
【図５】
0004611663.tif 000006