(57)【要約】【課題】パターンの特性に起因する測定誤差（ＭＩＳ）を低減して、パターンの重ね合わせ誤差を精度良く測定する。【解決手段】実際の重ね合わせ誤差（真値）にパターンの特性に起因する測定誤差（ＭＩＳ）を加えたものを期待値とする（真値＋ＭＩＳ＝期待値）。期待値は、測定値から測定装置の特性に起因する測定誤差（ＴＩＳ）を引いたものとなる（期待値＝測定値−ＴＩＳ）。画像信号処理回路４０は、重ね合わせ誤差の測定値を算出し、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出する処理と、測定値からＴＩＳ及び期待値を算出する処理とを行う。開口絞り切り替え機構２９は、開口数（ＮＡ）の大きな開口絞り２９ａと、開口数の小さな開口絞り２９ｂとを有し、受光系の開口数を変更する。受光系の開口数を変更することにより、ＴＩＳ又はＭＩＳを低減して、パターンの特性に応じた重ね合わせ誤差の測定を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光装置で形成し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であって、
実際の重ね合わせ誤差（真値）にパターンの特性に起因する測定誤差（ＭＩＳ）を加えたものを期待値とし、
ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出し、
ＭＩＳが最小となるフォーカス位置で重ね合わせ誤差を測定して、測定値から期待値を算出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】
フォーカス位置を移動しながら複数箇所で重ね合わせ誤差を測定し、測定値のベクトル成分から露光装置の誤差による線形成分を除去した残渣成分のばらつきが最小となるフォーカス位置を、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置として検出することを特徴とする請求項１に記載の重ね合わせ誤差測定方法。
【請求項３】
パターンを１８０°回転させて重ね合わせ誤差を複数回測定し、測定値から測定装置の特性に起因する測定誤差（ＴＩＳ）を算出することを特徴とする請求項１に記載の重ね合わせ誤差測定方法。
【請求項４】
測定値からＴＩＳを引いて期待値を算出することを特徴とする請求項３に記載の重ね合わせ誤差測定方法。
【請求項５】
フォーカス位置を移動しながら重ね合わせ誤差を測定し、
測定値から期待値を算出し、
期待値のフォーカス位置による変化に応じて、開口数の大きな光学系を用いた請求項１に記載の方法による測定と、開口数の小さな光学系を用いたフォーカス位置に依存しない測定とを行うことを特徴とする重ね合わせ誤差測定方法。
【請求項６】
露光装置で形成し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装置であって、
照明光を発生する光源と、
前記光源が発生した照明光をパターンの表面へ照射する投光系と、
パターン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を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果を処理して重ね合わせ誤差の測定値を算出する処理手段とを備え、
前記処理手段は、実際の重ね合わせ誤差（真値）にパターンの特性に起因する測定誤差（ＭＩＳ）を加えたものを期待値とし、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出する処理と、測定値から期待値を算出する処理とを行うことを特徴とする重ね合わせ誤差測定装置。
【請求項７】
前記処理手段は、前記フォーカス調整手段によりフォーカス位置を移動しながら複数箇所で測定した測定値のベクトル成分から露光装置の誤差による線形成分を除去した残渣成分のばらつきが最小となるフォーカス位置を、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置として検出することを特徴とする請求項６に記載の重ね合わせ誤差測定装置。
【請求項８】
前記処理装置は、パターンを１８０°回転させて複数回測定した測定値から測定装置の特性に起因する測定誤差（ＴＩＳ）を算出する処理を行うことを特徴とする請求項６に記載の重ね合わせ誤差測定装置。
【請求項９】
前記処理装置は、測定値からＴＩＳを引いて期待値を算出する処理を行うことを特徴とする請求項８に記載の重ね合わせ誤差測定装置。
【請求項１０】
前記受光系は開口数を変更する手段を有し、
前記受光系の開口数を大きくして前記処理手段による処理を行い、前記受光系の開口数を小さくしてフォーカス位置に依存しない測定を行うことを特徴とする請求項６に記載の重ね合わせ誤差測定装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項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１２】
請求項６乃至請求項１０のいずれか１項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、レクチ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回路パターンより大き目の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中心位置のずれ量を検出することにより行われている。このような重ね合わせ誤差測定装置に関するものとして、特許文献１及び特許文献２がある。
【特許文献１】特開平９−２８７９１６号公報
【特許文献２】特開平１０−７０１６３号公報
【０００５】
重ね合わせ誤差測定装置で実際の重ね合わせ誤差（真値）に近い測定値を得るためには、装置の光学系をできるだけ精密に構成しなければならない。例えば、光学系の収差が光軸に対して非対称であると、測定用パターンの中心位置を検出する際に測定誤差が発生する。このような装置の特性に起因する測定誤差は、一般に、ＴＩＳ（Ｔｏｏｌ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｈｉｆｔ）と呼ばれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
重ね合わせ誤差測定装置では、ＴＩＳの他に、測定対象のパターンの段差の形状、主に段差の非対称性によって測定誤差が発生するという問題があった。これを、図２を用いて説明する。
【０００７】
図２（ａ）は測定用パターンの上面図、図２（ｂ），（ｃ）はそのＡ−Ａ部断面図である。半導体ウェーハの表面の膜２の上に、測定用パターン３が形成されている。測定用パターン３は、正方形の開口を有するエッチングマーク４と、エッチングマーク４の開口内に形成された正方形のレジストマーク５とで構成されている。この例では、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、エッチングマーク４の段差が、Ｘ方向で非対称となっている。
【０００８】
図２（ｂ）に示すように、重ね合わせ誤差測定装置のフォーカス位置をエッチングマーク４の底面の高さＦ１として測定を行った場合、エッチングマーク４の中心位置はＥＣ１となり、レジストマーク５の中心位置ＲＣのずれ量はＸ１となる。一方、図２（ｃ）に示すように、重ね合わせ誤差測定装置のフォーカス位置をエッチングマーク４の上面の高さＦ２として測定を行った場合、エッチングマーク４の中心位置はＥＣ２となり、レジストマーク５の中心位置ＲＣのずれ量はＸ２となる。このように、測定用パターンの段差が非対称の場合、重ね合わせ誤差の測定値が、重ね合わせ誤差測定装置のフォーカス位置によって異なってくる。
【０００９】
本発明では、このような測定対象のパターンの特性に起因する測定誤差を、ＭＩＳ（Ｍａｒｋ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｈｉｆｔ）と呼ぶ。重ね合わせ誤差測定装置で測定値を真値に近づけるためには、ＴＩＳ及びＭＩＳを低減しなければならない。従来、ＴＩＳの低減は、光学系の精度、特に収差の光軸に対する対称性を向上することで行われていた。しかしながら、従来、ＭＩＳについては、十分な配慮が行われていなかった。
【００１０】
本発明の課題は、ＭＩＳを低減して、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、ＴＩＳ又はＭＩＳを低減して、パターンの特性に応じた重ね合わせ誤差の測定を行うことである。さらに、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】
【００１１】
本発明の重ね合わせ誤差測定方法は、露光装置で形成し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であって、真値にＭＩＳを加えたものを期待値とし、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出し、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置で重ね合わせ誤差を測定して、測定値から期待値を算出するものである。
【００１２】
また、本発明の重ね合わせ誤差測定装置は、露光装置で形成し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装置であって、照明光を発生する光源と、光源が発生した照明光をパターンの表面へ照射する投光系と、パターンの表面からの反射光を受光する受光系と、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、受光系で受光した光の強度を検出する検出手段と、検出手段の検出結果を処理して重ね合わせ誤差の測定値を算出する処理手段とを備え、処理手段が、真値にＭＩＳを加えたものを期待値とし、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出する処理と、測定値から期待値を算出する処理とを行うものである。
【００１３】
重ね合わせ誤差測定装置で測定した測定値には、真値の他にＴＩＳとＭＩＳとが含まれる（測定値＝真値＋ＴＩＳ＋ＭＩＳ）。本発明では、真値にＭＩＳを加えたものを新たな概念として導入し、期待値と定義する（真値＋ＭＩＳ＝期待値）。期待値は、ＭＩＳが減少する程、真値に近づく。また、期待値は、測定値からＴＩＳを引いたものとなる（期待値＝測定値−ＴＩＳ）。ＭＩＳはフォーカス位置で変化するので、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出し、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置で重ね合わせ誤差を測定して、測定値から期待値を算出する。
【００１４】
ＭＩＳが最小となるフォーカス位置の検出方法は、次の３つが考えられる。
（１）フォーカス位置を移動しながら複数箇所で重ね合わせ誤差を測定し、測定値のベクトル成分から露光装置の誤差による線形成分を除去した残渣成分のばらつきが最小となるフォーカス位置を、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置として検出する。
（２）フォーカス位置を移動しながら複数箇所で重ね合わせ誤差を測定する。パターンをエッチングした後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等を用いて実際のずれ量を計測し、測定値が実際のずれ量の計測結果に最も近いフォーカス位置を、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置とする。
（３）パターンの断面構造（段差の高さ、傾斜角度、透明膜の厚さ、透過率、屈折率等）を解析して、波動光学的手法によりＭＩＳが最小となるフォーカス位置を理論的に求める。
請求項２及び請求項７に記載された発明では、上記（１）により、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出する。
【００１５】
ＭＩＳは主にパターンの段差の非対称性に由来し、パターンの測定方向を反転すると、真値だけでなくＭＩＳも反転する。一方、ＴＩＳは、パターンの測定方向に左右されない。半導体ウェーハの向きを０°にして測定した０°測定値は、期待値にＴＩＳを加えたものとなる（０°測定値＝期待値＋ＴＩＳ）。一方、半導体ウェーハの向きを１８０°にして測定した１８０°測定値は、期待値の負の値にＴＩＳを加えたものとなる（１８０°測定値＝−期待値＋ＴＩＳ）。これらの関係から、ＴＩＳは、０°測定値と１８０°測定値を足して２で割った値となる（ＴＩＳ＝（０°測定値＋１８０°測定値）／２）。また、期待値は、０°測定値からＴＩＳを引いたもので、０°測定値から１８０°測定値を引いて２で割った値となる（期待値＝０°測定値−ＴＩＳ＝（０°測定値−１８０°測定値）／２）。請求項３及び請求項８に記載された発明では、パターンを１８０°回転させて複数回測定した測定値からＴＩＳを算出する。また、請求項４及び請求項９に記載された発明では、測定値からＴＩＳを引いて期待値を算出する。
【００１６】
さらに、請求項５に記載の重ね合わせ誤差測定方法は、フォーカス位置を移動しながら重ね合わせ誤差を測定し、測定値から期待値を算出し、期待値のフォーカス位置による変化に応じて、開口数の大きな光学系を用いた上記方法による測定と、開口数の小さな光学系を用いたフォーカス位置に依存しない測定とを行うものである。また、請求項１０に記載の重ね合わせ誤差測定装置は、受光系が開口数を変更する手段を有し、受光系の開口数を大きくして処理手段による上記処理を行い、受光系の開口数を小さくしてフォーカス位置に依存しない測定を行うものである。
【００１７】
光学系（受光系）の開口数を大きくすると、焦点深度が浅くなり、パターンの段差の形状の微細な変化を検出することができる。従って、測定値は、パターンの段差の形状を敏感に反映する。受光系の開口数を大きくして上記方法によりフォーカス位置を最適化することで、ＭＩＳが低減し、測定精度が向上する。一方、受光系の開口数を小さくすると、焦点深度が深くなり、パターンの段差の形状の平均的な情報を検出することができる。従って、測定値は、パターンの段差の形状に対して鈍感になる。受光系の開口数を小さくすることで、ＴＩＳが低減し、フォーカス位置に依存しない安定した測定を行うことができる。
【００１８】
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】
【００１９】
本発明の重ね合わせ誤差測定方法及び重ね合わせ誤差測定装置によれば、期待値という新たな概念を導入することにより、次の効果がある。
（１）ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出し、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置での測定値から期待値を算出することにより、ＭＩＳを低減して、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。
【００２０】
（２）フォーカス位置を移動しながら複数箇所で測定した測定値のベクトル成分から露光装置の誤差による線形成分を除去した残渣成分のばらつきが最小となるフォーカス位置を、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置として検出することにより、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を、パターンのエッチング前に複雑な解析を行うことなく容易に検出することができる。
【００２１】
（３）パターンを１８０°回転させて複数回測定した測定値からＴＩＳを算出することにより、ＴＩＳを容易に検出することができる。そして、測定値からＴＩＳを引いて期待値を算出することができる。
【００２２】
また、本発明の重ね合わせ誤差測定方法及び重ね合わせ誤差測定装置によれば、開口数を変更することにより、ＴＩＳ又はＭＩＳを低減して、パターンの特性に応じた重ね合わせ誤差の測定を行うことができる。
【００２３】
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】
【００２４】
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。
【００２５】
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θ方向への回転によって、半導体ウェーハ１の向きが０°又は１８０°に回転される。さらに、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
受光系は、対物レンズ２５、ハーフミラー２４、リレーレンズ２６，２８、開口絞り切り替え機構２９、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、リレーレンズ２６により一次像面２７で結像する。一次像面２７で結像した反射光は、リレーレンズ２８を通り、結像レンズ３０へ向かう。このとき、一次像面２７に対して対物レンズ２５の対物瞳２５ａと共役の位置には、瞳像面が形成される。この瞳像面の位置には、開口絞り切り替え機構２９が設けられている。
【００２９】
開口絞り切り替え機構２９は、開口数（ＮＡ）の大きな開口絞り２９ａと、開口数の小さな開口絞り２９ｂとを有し、これらを切り替えることにより受光系の開口数を変更する。本発明では、開口絞り切り替え機構２９により受光系の開口数を大きくして、以下に述べる方法で測定を行う。但し、受光系の開口数は、対物レンズ２５の対物瞳２５ａにより決まる本来の開口数より大きくすることができない。また、測定用パターンの特性に応じて、開口絞り切り替え機構２９により受光系の開口数を小さくして、フォーカス位置を固定した測定を行う。
【００３０】
開口絞り切り替え機構２９を通過した反射光は、結像レンズ３０を通って、ハーフミラー３１へ入射する。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ＣＣＤ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検出信号を画像信号処理回路４０へ出力する。
【００３１】
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。
【００３２】
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の検出信号をディジタル信号に変換して処理し、Ｘ方向及びＹ方向について、測定用パターンのエッチングマークの中心位置とレジストマークの中心位置とを検出する。そして、レジストマークの中心位置のエッチングマークの中心位置に対するずれ量を重ね合わせ誤差の測定値として算出する。さらに、画像信号処理回路４０は、後述するＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出する処理と、測定値からＴＩＳ及び期待値を算出する処理とを行う。
【００３３】
以下、図１の重ね合わせ誤差測定装置を用いた重ね合わせ誤差測定方法について説明する。重ね合わせ誤差測定装置で測定した測定値には、真値の他に、ＴＩＳとＭＩＳとが含まれる（測定値＝真値＋ＴＩＳ＋ＭＩＳ）。本発明では、真値にＭＩＳを加えたものを新たな概念として導入し、期待値と定義する（真値＋ＭＩＳ＝期待値）。期待値は、ＭＩＳが減少する程、真値に近づく。また、期待値は、測定値からＴＩＳを引いたものとなる（期待値＝測定値−ＴＩＳ）。ＭＩＳはフォーカス位置で変化するので、本発明では、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出し、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置で重ね合わせ誤差を測定し、測定値から期待値を算出する。
【００３４】
まず、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出する処理について説明する。中心位置のずれの方向を考慮した測定値のベクトル成分には、測定用パターンを形成した露光装置の誤差による線形成分が含まれる。
【００３５】
露光装置の誤差による線形成分は、主として、倍率によるもの（スケーリング）、移動によるもの（シフト）、及び回転によるもの（ローテーション）の３種類で構成される。図３は、露光装置の誤差による線形成分を説明する図であって、図３（ａ）はスケーリング、図３（ｂ）はシフト、図３（ｃ）はローテーションを示す。半導体ウェーハ１上の複数の測定用パターン３について、スケーリングの場合、図３（ａ）に矢印で示すように、ベクトル成分が中心から外側又は外側から中心へと向かう。シフトの場合、図３（ｂ）に矢印で示すように、ベクトル成分が同一の方向を向く。ローテーションの場合、図３（ｃ）に示すように、ベクトル成分が同じ回転方向を向く。
【００３６】
本実施の形態では、半導体ウェーハ１上の複数の測定用パターン３について、フォーカス位置を移動しながら重ね合わせ誤差を測定し、測定値のベクトル成分から３種類の線形成分を除去する。図４（ａ）は測定値のベクトル成分の一例を示す図、図４（ｂ）は測定値のベクトル成分から露光装置の誤差による線形成分を除去した残渣成分の一例を示す図、図４（ｃ）は残渣成分のばらつきとフォーカス位置との関係の一例を示す図である。図４（ｂ）に示すように、測定値のベクトル成分から露光装置の誤差による線形成分を除去した残渣成分には、測定用パターン３によってばらつきがある。そして、このばらつきは、図４（ｃ）に示すように、フォーカス位置によって変化する。本実施の形態では、残渣成分のばらつきが最小となるフォーカス位置を、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置とする。
【００３７】
次に、測定値からＴＩＳ及び期待値を算出する処理について説明する。ＭＩＳは主にパターンの段差の非対称性に由来し、パターンの測定方向を反転すると、真値だけでなくＭＩＳも反転する。一方、ＴＩＳは、パターンの測定方向に左右されない。図５（ａ）は半導体ウェーハの向きを０°にしたときの測定用パターンの上面図、図５（ｂ）は半導体ウェーハの向きを１８０°にしたときの測定用パターンの上面図である。
【００３８】
図５（ａ）に示す半導体ウェーハの向きを０°にして測定した０°測定値は、期待値にＴＩＳを加えたものとなる（０°測定値＝期待値＋ＴＩＳ）。一方、図５（ｂ）に示す半導体ウェーハの向きを１８０°にして測定した１８０°測定値は、期待値の負の値にＴＩＳを加えたものとなる（１８０°測定値＝−期待値＋ＴＩＳ）。これらの関係から、ＴＩＳは、０°測定値と１８０°測定値を足して２で割った値となる（ＴＩＳ＝（０°測定値＋１８０°測定値）／２）。また、期待値は、０°測定値からＴＩＳを引いたもので、０°測定値から１８０°測定値を引いて２で割った値となる（期待値＝０°測定値−ＴＩＳ＝（０°測定値−１８０°測定値）／２）。図５ではＸ方向について示されているが、Ｙ方向についても同様である。
【００３９】
本実施の形態では、ＴＩＳを、０°測定値と１８０°測定値を足して２で割った値として算出する。期待値は、０°測定値からＴＩＳを引いた値、または０°測定値から１８０°測定値を引いて２で割った値として算出する。本発明を用いた重ね合わせ精度の検査では、実際にフォーカス位置を移動しながら各フォーカス位置で重ね合わせ誤差の測定を行う場合と、サンプルについてＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出し、実際の測定ではサンプルで検出したＭＩＳが最小となるフォーカス位置だけで重ね合わせ誤差の測定を行う場合とが考えられる。いずれの場合も、最初の測定で０°測定値と１８０°測定値とを測定してＴＩＳを算出すると、期待値は０°測定値とＴＩＳから算出されるので、以後の測定では１８０°測定値を測定しなくてもよい。
【００４０】
図６は、あるサンプルについて、測定値、ＴＩＳ及び期待値とフォーカス位置との関係を示す図であって、図６（ａ）はＸ方向について測定した結果、図６（ｂ）はＹ方向について測定した結果である。図６において、Ｘ０，Ｙ０は０°測定値、Ｘ１８０，Ｙ１８０は１８０°測定値、ＸＴＩＳ，ＹＴＩＳはＴＩＳ、ＸＥ，ＹＥは期待値を示す。
【００４１】
図６のサンプルでは、Ｘ方向の０°測定値（Ｘ０）及び１８０°測定値（Ｘ１８０）が、フォーカス位置によってあまり変化しない。一方、Ｙ方向の０°測定値（Ｙ０）及び１８０°測定値（Ｙ１８０）が、フォーカス位置によって大きく変化する。ＴＩＳ（ＸＴＩＳ，ＹＴＩＳ）はフォーカス位置によってあまり変化しないが、期待値（ＹＥ）はフォーカス位置によって大きく変化している。
【００４２】
本実施の形態では、期待値のフォーカス位置による変化に応じて、開口絞り切り替え機構２９により受光系の開口数を大きくして上記方法による測定を行い、または開口絞り切り替え機構２９により受光系の開口数を小さくしてフォーカス位置に依存しない測定を行う。
【００４３】
受光系の開口数を大きくすると、焦点深度が浅くなり、パターンの段差の形状の微細な変化を検出することができる。従って、測定値は、パターンの段差の形状を敏感に反映する。受光系の開口数を大きくして上記方法によりフォーカス位置を最適化することで、ＭＩＳが低減し、測定精度が向上する。
【００４４】
一方、受光系の開口数を小さくすると、焦点深度が深くなり、パターンの段差の形状の平均的な情報を検出することができる。従って、測定値は、パターンの段差の形状に対して鈍感になる。受光系の開口数を小さくすることで、ＴＩＳが低減し、フォーカス位置に依存しない安定した測定を行うことができる。
【００４５】
以上説明した実施の形態によれば、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を検出し、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置での測定値から期待値を算出することにより、ＭＩＳを低減して、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。
【００４６】
さらに、フォーカス位置を移動しながら複数の測定用パターンを測定した測定値のベクトル成分から露光装置の誤差による線形成分を除去した残渣成分のばらつきが最小となるフォーカス位置を、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置として検出することにより、ＭＩＳが最小となるフォーカス位置を、パターンのエッチング前に複雑な解析を行うことなく容易に検出することができる。
【００４７】
さらに、０°測定値と１８０°測定値からＴＩＳを算出することにより、ＴＩＳを容易に検出することができる。そして、０°測定値とＴＩＳ、または０°測定値と１８０°測定値から期待値を算出することができる。
【００４８】
また、本実施の形態によれば、開口数を変更することにより、ＴＩＳ又はＭＩＳを低減して、パターンの特性に応じた重ね合わせ誤差の測定を行うことができる。
【００４９】
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】
【００５０】
【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上面図、図２（ｂ），（ｃ）はそのＡ−Ａ部断面図である。
【図３】露光装置の誤差による線形成分を説明する図であって、図３（ａ）はスケーリング、図３（ｂ）はシフト、図３（ｃ）はローテーションを示す。
【図４】図４（ａ）は測定値のベクトル成分の一例を示す図、図４（ｂ）は測定値のベクトル成分から露光装置の誤差による線形成分を除去した残渣成分の一例を示す図、図４（ｃ）は残渣成分のばらつきとフォーカス位置との関係の一例を示す図である。
【図５】図５（ａ）は半導体ウェーハの向きを０°にしたときの測定用パターンの上面図、図５（ｂ）は半導体ウェーハの向きを１８０°にしたときの測定用パターンの上面図である。
【図６】あるサンプルについて、測定値、ＴＩＳ及び期待値とフォーカス位置との関係を示す図であって、図６（ａ）はＸ方向について測定した結果、図６（ｂ）はＹ方向について測定した結果である。
【符号の説明】
【００５１】
１  半導体ウェーハ
２  膜
３  測定用パターン
４  エッチングマーク
５  レジストマーク
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
２５ａ  対物瞳
２６，２８  リレーレンズ
２９  開口絞り切り替え機構
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】
2005156487.tif 000003
【図２】
2005156487.tif 000004
【図３】
2005156487.tif 000005
【図４】
2005156487.tif 000006
【図５】
2005156487.tif 000007
【図６】
2005156487.tif 000008