(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層に形成されたアライメントマークに照明光を照射し、前記アライメントマークによる反射光又は回折光を結像して前記アライメントマークを撮像し、撮像した画像を処理することにより得られた撮像信号に基づき、前記複数の層の重ね合わせ誤差を計測する重ね合わせ検査方法において、
前記アライメントマークを撮像するときのフォーカスを変化して前記アライメントマークを撮像し、
前記フォーカスを変化して撮像した前記アライメントマークの画像中のノイズを数値化し、
数値化した前記ノイズと前記フォーカスとの関係に基づき、前記重ね合わせ誤差の計測に用いる最適フォーカス値を決定する
ことを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【請求項２】
請求項１記載の重ね合わせ検査方法において、
数値化した前記ノイズが極小となるフォーカス値を、前記最適フォーカス値と決定する
ことを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【請求項３】
請求項１記載の重ね合わせ検査方法において、
前記照明光を照射する照射光学系及び／又は前記反射光又は前記回折光を結像する結像光学系の光学的収差を考慮して、前記最適フォーカス値を決定する
ことを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【請求項４】
複数の層に形成されたアライメントマークに照明光を照射する照射光学系と、前記アライメントマークによる反射光又は回折光を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像された前記反射光又は前記回折光から前記アライメントマークを撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された画像を信号処理し、前記複数の層の重ね合わせ誤差を計測する信号処理手段とを有する重ね合わせ検査装置において、
前記撮像手段は、前記アライメントマークを撮像するときのフォーカスを変化して前記アライメントマークを撮像し、
前記信号処理手段は、前記撮像手段により前記フォーカスを変化して撮像した前記アライメントマークの画像中のノイズを数値化し、数値化した前記ノイズと前記フォーカスとの関係に基づき、前記重ね合わせ誤差の計測に用いる最適フォーカス値を決定する
ことを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【請求項５】
請求項４記載の重ね合わせ検査装置において、
前記信号処理手段は、数値化した前記ノイズが極小となるフォーカス値を、前記最適フォーカス値と決定する
ことを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハ上に形成された複数の層の重ね合わせ誤差を計測する重ね合わせ検査方法及び装置に係り、特に、ノイズの影響を低減しうる重ね合わせ検査方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置は、ウェーハ上に複数の導電層（配線層）と複数の絶縁層とを積層させて形成される。半導体装置の高集積化に対応するためには、層間の重ね合わせ誤差をできる限り小さくする必要がある。
【０００３】
一般に、各層間の重ね合わせの誤差量を検査する場合は、各層をパターニングする工程（フォトリソグラフィ工程）で各層にアライメントマークを形成し、重ね合わせ検査装置により各アライメントマークの間隔を測定している。
【０００４】
かかる重ね合わせ検査におけるアライメントマークの検出方法としては、画像処理方式よる検出方法が主流となっている。画像処理方式による場合、ウェーハ上の各層に形成されたアライメントマークに対して広帯域波長の照明光を垂直に照射する。次いで、そのアライメントマークからの反射光又は回折光を結像光学系を介して集光する。次いで、集光した反射光又は回折光により撮像素子の撮像面にアライメントマーク像を形成する。こうして撮像素子により得られた撮像信号に対して信号処理を施すことにより、ウェーハ上のアライメントマークの位置を検出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の画像処理方式による重ね合わせ検査方法では、アライメントマーク周辺に散在するヒロック等のために、アライメントマークの検出精度が低下してしまう場合があった。
【０００６】
ヒロック等がアライメントマークの周辺に存在すると、アライメントマークを撮像したときに、アライメントマーク周囲のコントラストの変動が発生する場合がある。なお、本明細書では、このようなコントラストの変動をバックグラウンド・ノイズと称することとする。バックグラウンド・ノイズが大きくなると、アライメントマークのエッジの誤検出による測定精度の低下や、測定異常値の発生を引き起こすこととなる。
【０００７】
このようなバックグラウンド・ノイズによる測定精度の低下等を回避するため、従来の画像処理方式による重ね合わせ検査方法では、アライメントマーク像の積算回数を増やしたり、或いは、測定回数自体を増やしていた。こうすることにより、バックグラウンド・ノイズに起因する異常値を撮像信号から除去していた。
【０００８】
また、このようなバックグラウンド・ノイズによる測定精度の低下を防止するために、各層の製造プロセス自体をヒロック等ができる限り生じないように最適化したり、ノイズの原因となるヒロック等を生じる製造プロセスを選択しない等の対策も行われていた。このように、重ね合わせ検査方法が、半導体装置の製造プロセスにおける制約の一要因となる場合もあった。
【０００９】
本発明の目的は、半導体装置の製造工程における重ね合わせ検査へのバックグラウンド・ノイズの影響を低減し、高精度の重ね合わせ検査を実現しうる重ね合わせ検査方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、複数の層に形成されたアライメントマークに照明光を照射し、前記アライメントマークによる反射光又は回折光を結像して前記アライメントマークを撮像し、撮像した画像を処理することにより得られた撮像信号に基づき、前記複数の層の重ね合わせ誤差を計測する重ね合わせ検査方法において、前記アライメントマークを撮像するときのフォーカスを変化して前記アライメントマークを撮像し、前記フォーカスを変化して撮像した前記アライメントマークの画像中のノイズを数値化し、数値化した前記ノイズと前記フォーカスとの関係に基づき、前記重ね合わせ誤差の計測に用いる最適フォーカス値を決定することを特徴とする重ね合わせ検査方法により達成される。
【００１１】
また、上記目的は、複数の層に形成されたアライメントマークに照明光を照射する照射光学系と、前記アライメントマークによる反射光又は回折光を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像された前記反射光又は前記回折光から前記アライメントマークを撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された画像を信号処理し、前記複数の層の重ね合わせ誤差を計測する信号処理手段とを有する重ね合わせ検査装置において、前記撮像手段は、前記アライメントマークを撮像するときのフォーカスを変化して前記アライメントマークを撮像し、前記信号処理手段は、前記撮像手段により前記フォーカスを変化して撮像した前記アライメントマークの画像中のノイズを数値化し、数値化した前記ノイズと前記フォーカスとの関係に基づき、前記重ね合わせ誤差の計測に用いる最適フォーカス値を決定することを特徴とする重ね合わせ検査装置により達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による重ね合わせ検査方法及び装置について図１乃至図６を用いて説明する。図１は本実施形態による重ね合わせ検査装置の構成を示す概略図、図２はウェーハ上の層構造に形成されたアライメントマークの構造を示す概略図、図３は本発明の一実施形態による重ね合わせ検査方法においてフォーカスを変えて撮像した一連のアライメントマークのイメージを示す図、図４は図３に示す各イメージに対応する画像処理視野上のコントラストを変化させ、画像処理視野上からバックグラウンド・ノイズが消失したときの一連の画像処理視野のイメージを示す図、図５はフォーカス値に対して図４に示す画像処理視野上のコントラストをプロットしたグラフ、図６はフォーカス値に対してＴＩＳをプロットしたグラフである。
【００１３】
［重ね合わせ検査装置］
まず、本実施形態による重ね合わせ検査装置について図１を用いて説明する。
【００１４】
図１に示すように、重ね合わせ検査装置は、光源１０、ライトガイド１２、照射レンズ群１４、ビームスプリッタ１６、対物レンズ群１８、ステージ２０、接眼レンズ群２２、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ２４、及び信号処理部２６により構成される。
【００１５】
光源１０としては、キセノンランプ又は半導体レーザを使用する。光源１０から出射された光は、ライトガイド１２を通って照射レンズ群１４に導かれる。
【００１６】
照射レンズ群１４は、１又は複数のレンズにより構成されており、ライトガイド１２から出射した光を略平行な光にする。
【００１７】
ビームスプリッタ１６は、照射レンズ群１４を通った光をステージ２０の方向に反射する。ビームスプリッタ１６で反射された光は、１又は複数のレンズからなる対物レンズ群１８を通ってステージ２０上に載置されたウェーハ２８を垂直方向から照射する。
【００１８】
ウェーハ２８上の層構造には、層間の位置ずれを検出するためのアライメントマークが予め形成されている。
【００１９】
ここで、ウェーハ２８上に形成されたアライメントマークについて図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）はウェーハ上に形成されたアライメントマークを示す上面図、図２（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、ウェーハ２８のマーク形成領域をＣＣＤカメラ２４により撮像すると、四角形状に配列された矩形状のアライメントマーク３０ａが観察される。アライメントマーク３０ａの外側には、四角形状に配列された矩形状のアライメントマーク３０ｂが観察される。
【００２１】
上記のようにＣＣＤカメラ２４によりマークが撮像されるウェーハ２８上には、図２（ｂ）に示すように、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜３２が形成されている。絶縁膜３２には、アライメントマーク３０ｂのパターンとなる溝３４が形成されている。溝３４には、タングステン膜３５が埋め込まれている。絶縁膜３２上には、例えばアルミニウムと銅との合金からなるからなる導電層３６が形成されている。導電層３６上には、レジスト膜３８が形成されている。レジスト膜３８には、アライメントマーク３０ａのパターンとなる溝４０が形成されている。
【００２２】
ウェーハ２８により垂直方向に反射された光は、対物レンズ群１８を通り、ビームスプリッタ１６を透過する。そして、１又は複数のレンズからなる接眼レンズ群２２を通り、ＣＣＤカメラ２４のＣＣＤ素子面で結像する。
【００２３】
ＣＣＤカメラ２４は、受光した光を電気信号に変換して信号処理部２６に出力する。
【００２４】
信号処理部２６は、ＣＣＤカメラ２４から伝達された信号に対して信号処理を施し、ウェーハ２８上の各アライメントマーク３０ａ、３０ｂの位置を検出する。そして、各アライメントマーク３０ａ、３０ｂ間の距離を測定して各層間の重ね合わせ誤差を検出する。
【００２５】
［本実施形態による重ね合わせ検査方法及び装置の原理］
本実施形態による重ね合わせ検査方法及び装置は、上述した信号処理部２６による位置ずれの検出におけるバックグラウンド・ノイズの影響及びＴＩＳ（Tool Induced Shift）の影響を低減し、高精度の重ね合わせ誤差の測定を実現するものである。以下、本実施形態による重ね合わせ検査方法及び装置の原理について、本願発明者による実験結果を適宜参照しながら図１、図３乃至図６を用いて詳述する。
【００２６】
本願発明者は鋭意実験を行い検証を重ねた結果、画像処理方式による重ね合わせ検査方法において発生するバックグラウンド・ノイズは、以下の特性を有することを確認した。
【００２７】
第一に確認された特性としては、バックグラウンド・ノイズが、重ね合わせ検査装置の照明／結像光学系を構成する照射レンズ群１４、対物レンズ群１８、接眼レンズ群２２のフォーカスに対して非常に敏感に変化するということである。
【００２８】
図３（ａ）乃至図３（ｋ）は、フォーカスを変化させてＣＣＤカメラ２４により撮像されたアライメントマークの一連のイメージである。図３（ａ）乃至図３（ｋ）に示すイメージを撮像したときのフォーカス値は、それぞれ−５．０μｍ、−４．０μｍ、−３．０μｍ、−２．０μｍ、−１．０μｍ、０．０μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍ、４．０μｍ、５．０μｍである。なお、予めウェーハステージ上のマークにピントが合った状態をフォーカス原点（０μｍ）としている。図示するように、各イメージには、白く見える四角形状に配列された矩形状のアライメントマークと、その外周に四角形状に配列された矩形状のアライメントマークとが観察されている。さらに、各イメージには、明るい又は暗い粒状の領域が散在している様子が観察されている。このような粒状の領域は、ウェーハ上に絶縁層や導電層等を形成する際に生じるヒロック等が観察されたものである。これらは、画像処理方式による重ね合わせ検査において、測定精度の低下や異常値の発生等の一要因となるバックグラウンド・ノイズとなる。
【００２９】
観察されるバックグラウンド・ノイズは、図３（ａ）乃至図３（ｋ）から明らかなように、撮像時に設定したフォーカス値によって非常に敏感に変化している。図３（ａ）乃至図３（ｋ）に示すイメージの中では、フォーカス値が−１．０μｍのときに撮像された図３（ｅ）に示すイメージでバックグラウンド・ノイズが最小となっている。
【００３０】
以上のような実験結果から、ＣＣＤカメラ２４により撮像されたイメージにおけるバックグラウンド・ノイズが撮像時のフォーカス値により非常に敏感に変化することが確認された。
【００３１】
なお、ここでは、対物レンズとウェーハステージとの物理的な距離をフォーカスと称している。
【００３２】
第二に確認された特性としては、バックグラウンド・ノイズが、画像処理視野上のコントラストを基準とすることにより数値化することが可能であるということである。
【００３３】
図４（ａ）乃至図４（ｋ）は、それぞれ図３に示す各イメージに対応する画像処理視野上のコントラストを変化させ、画像処理視野上からバックグラウンド・ノイズが消失したときの画像処理視野のイメージを示している。
【００３４】
図３及び図４の対応するイメージ同士の比較から明らかなように、図３においてバックグラウンド・ノイズが大きいイメージほど、図４に示す画像処理視野上のアライメントマークのコントラストも同時に消失している。その結果、画像処理視野上のコントラストは全体として小さくなっている。
【００３５】
一方、図３においてバックグラウンド・ノイズが小さいイメージほど、図４に示すアライメントマークのコントラストははっきりしている。このため、画像処理視野上のコントラストは全体としても小さくなってはいない。
【００３６】
したがって、画像処理視野上のコントラストを変化させ、バックグラウンド・ノイズが消失したときの画像処理視野上のコントラストを計測することにより、バックグラウンド・ノイズを数値化することができる。この数値化の結果から、照明／結像光学系のフォーカスを変化させたときにバックグラウンド・ノイズが極小となるフォーカス値（以後、本明細書ではＢＦnoise（Best Focus for noise）と略記する）を算定することができる。
【００３７】
図５は、図３に示すイメージについて、図４に示すバックグラウンド・ノイズが消失したときの画像処理視野上のコントラストをフォーカス値に対してプロットしたグラフである。図５に示すグラフでは、イメージコントラストが大きいほど、バックグラウンド・ノイズが小さいことを意味する。
【００３８】
したがって、照明／結像光学系のフォーカスを変化させたときにバックグラウンド・ノイズが極小となるＢＦnoiseを算定することにより、バックグラウンド・ノイズを最小化することが可能となる。
【００３９】
ＢＦnoiseを求めるためには、まず、図５に示すように、フォーカスに対するイメージコントラストのプロットを例えば４次曲線で近似する。
【００４０】
次いで、近似した４次曲線を微分することにより、イメージコントラストが極大となるフォーカス値、すなわちバックグラウンド・ノイズが極小となるフォーカス値を求める。こうして得られたフォーカス値をＢＦnoiseと決定することができる。
【００４１】
しかしながら、図１に示す重ね合わせ検査装置には、ＴＩＳ（Tool Induced Shift）として知られる装置の光学系の物理的な非対称性によって発生する測定誤差が存在することが知られている。ＴＩＳは、重ね合わせ検査装置の光学系の光軸がウェーハ面に対して垂直でない場合に発生する。このＴＩＳは、照射／結像光学系のフォーカスの変化に対しても敏感に変化することが明らかになっている。
【００４２】
したがって、高精度の重ね合わせ検査を実現するためには、かかるＴＩＳの影響をも考慮して、重ね合わせ検査に用いるフォーカス値を決定する必要がある。すなわち、上述したようにバックグラウンド・ノイズをなるべく最小化すると同時に、フォーカスの変化に対してＴＩＳの変化も小さくなるフォーカス値を求める必要がある。
【００４３】
図６は、ウェーハ平面におけるＸ軸方向のＴＩＳ（以後、本明細書では、Ｘ_ＴＩＳと略記する）、Ｙ軸方向のＴＩＳ（以後、本明細書では、Ｙ_ＴＩＳと略記する）をフォーカス値に対してプロットしたグラフである。図示するように、Ｘ_ＴＩＳ、Ｙ_ＴＩＳの両者とも、フォーカス値の変化に対して敏感に変化していることがわかる。
【００４４】
したがって、ＴＩＳの影響を低減するためには、フォーカスを変化させたときに、Ｘ_ＴＩＳ、Ｙ_ＴＩＳそれぞれの変化が小さくなるフォーカス値（以後、本明細書では、それぞれＢＦX_TIS、ＢＦY_TISと略記する）を把握しておく必要がある。
【００４５】
ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISを求めるためには、フォーカス値に対するＸ_ＴＩＳ、Ｙ_ＴＩＳのプロットをそれぞれ例えば４次曲線で近似する。
【００４６】
次いで、近似したした各４次曲線を微分することにより、フォーカス値の変化に対するＸ_ＴＩＳ、Ｙ_ＴＩＳの変化、すなわち近似曲線の傾きの絶対値が最小となるフォーカス値を求める。こうして得られたフォーカス値をそれぞれＢＦX_TIS、ＢＦY_TISと決定することができる。
【００４７】
以上のようにして得られたＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISについては、これらの間の乖離量を評価する必要がある。すなわち、バックグラウンド・ノイズによる影響を低減し、かつ、ＴＩＳの影響を低減する二つの要求を満足するフォーカス値を算出する必要がある。これらの乖離量が所定の許容値以内であれば、ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、及びＢＦY_TISの平均値を、バックグラウンド・ノイズによる影響を低減し、かつ、ＴＩＳの影響を低減するのに最適なフォーカス値と決定することができる。なお、乖離量についての許容値は、重ね合わせ検査に対して要求される測定精度等に応じて適宜設定することができる。
【００４８】
こうして決定された最適フォーカス値を用いることにより、半導体装置の所定の製造プロセスにおいて重ね合わせの検査を高い精度で行うことができる。
【００４９】
このように、本実施形態による重ね合わせ検査方法は、フォーカスを変化してアライメントマークを撮像し、アライメントマークのイメージにおけるバックグラウンド・ノイズを数値化し、ＴＩＳの影響をも考慮してバックグラウンド・ノイズを低減するフォーカス値を算出することに主たる特徴を有する。これにより、バックグラウンド・ノイズ及びＴＩＳの影響を低減した状態で、半導体装置の製造工程において重ね合わせ誤差の計測を行うことが可能となる。したがって、重ね合わせ誤差の測定の精度を向上することができ、また、異常値が計測されるのを抑制することができ、検査時間を短縮することができる。
【００５０】
［重ね合わせ検査方法］
次に、本実施形態による重ね合わせ検査方法の手順について図１乃至図６を用いて説明する。
【００５１】
まず、重ね合わせ検査の対象であるウェーハ２８をステージ２０に載置する。
【００５２】
次いで、光源１０から照明光を照射し、ＣＣＤカメラ２４によりウェーハ２８上のアライメントマーク３０ａ、３０ｂの撮像を行う。
【００５３】
このとき、照明レンズ群１４、対物レンズ群１８、接眼レンズ群２２のレンズ種類、ウェーハ２８に対する距離を適宜調整することにより照明／結像光学系のフォーカス値を変化して、順次、各フォーカス値での撮像を行う。
【００５４】
こうしてフォーカス値を変化して得られたアライメントマーク３０ａ、３０ｂの撮像イメージが、例えば、図３に示す一連のイメージである。
【００５５】
次いで、得られたアライメントマーク３０ａ、３０ｂのイメージを信号処理部２６により信号処理し、各撮像イメージにおいて観察されるバックグラウンド・ノイズを数値化する。
【００５６】
バックグラウンド・ノイズの数値化は、画像処理視野上のコントラストを変化させ、バックグラウンド・ノイズが消失したしたときの画像処理視野上のコントラストを計測することにより行う。図４は、それぞれ図３に示す各イメージに対応する画像処理視野上のコントラストを変化させ、画像処理視野上からバックグラウンド・ノイズが消失したときの画像処理視野のイメージを示している。
【００５７】
次いで、数値化されたバックグラウンド・ノイズをフォーカス値に対してプロットする。図５は、図３に示すイメージ中のバックグラウンド・ノイズに対応する図４に示す画像処理視野上のコントラストをフォーカス値に対してプロットしたグラフである。
【００５８】
次いで、バックグラウンド・ノイズのプロットを例えば４次曲線で近似する。図５に示す場合、バックグラウンド・ノイズのプロットは、図５のグラフの下に示す関数で表される４次曲線で近似することができる。
【００５９】
次いで、近似曲線の微分がゼロとなるフォーカス値を算出する。こうして、ＢＦnoiseの候補となるフォーカス値を求める。
【００６０】
次いで、フォーカス値を変化してＴＩＳを測定し、フォーカス値に対してＴＩＳをプロットする。図６は、Ｘ_ＴＩＳ、Ｙ_ＴＩＳをフォーカス値に対してプロットしたグラフである。
【００６１】
次いで、Ｘ_ＴＩＳ、Ｙ_ＴＩＳのプロットをそれぞれ例えば４次曲線で近似する。図６に示す場合、Ｘ_ＴＩＳ、Ｙ_ＴＩＳのプロットは、それぞれ図６のグラフの下に示す関数で表される４次曲線で近似することができる。
【００６２】
次いで、Ｘ_ＴＩＳ、Ｙ_ＴＩＳのプロットの近似曲線のそれぞれについて、微分がゼロとなるフォーカス値を算出する。こうして、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの候補となるフォーカス値を求める。
【００６３】
例えば、図５、図６からそれぞれ得られた近似曲線の微分がゼロとなる解として求められたＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの候補は以下の通りである。
【００６４】
【表１】
0003916974.tif 000002
次いで、求められたＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの候補の間の乖離量を評価する。
【００６５】
評価の方法としては、例えば、ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの候補の間のレンジが最小となる組を選択する方法や、３σが最小となる組を選択する方法を用いることができる。
【００６６】
レンジが最小となる組を選択する方法の場合、ａ、ｂ、ｃのレンジをＭｉｎ．Ｒａｎｇｅ（ａ、ｂ、ｃ）と示すこととすると、表１に示す場合では、
Ｍｉｎ．Ｒａｎｇｅ（−０．４、−０．８、−０．７）＝０．４
Ｍｉｎ．Ｒａｎｇｅ（−３．３、−２．４、−２．８）＝０．５
Ｍｉｎ．Ｒａｎｇｅ（３．０、３．５、４．５）＝１．５
となり、（ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TIS）＝（−０．４、−０．８、−０．７）の候補の組のレンジが０．４で最小となる。したがって、この場合、（ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TIS）＝（−０．４、−０．８、−０．７）の平均値−０．６μｍが最適フォーカス値となりうる。
【００６７】
また、３σが最小となる組を選択する方法の場合、ａ、ｂ、ｃの３σを３σ（ａ、ｂ、ｃ）と示すこととすると、表１に示す場合では、
３σ（−０．４、−０．８、−０．７）＝０．６
３σ（−３．３、−２．４、−２．８）＝１．４
３σ（３．０、３．５、４．５）＝２．３
となり、（ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TIS）＝（−０．４、−０．８、−０．７）の候補の組の３σが０．６で最小となる。したがって、この場合、（ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TIS）＝（−０．４、−０．８、−０．７）の平均値−０．６μｍが最適フォーカス値となりうる。
【００６８】
なお、バックグラウンド・ノイズによる影響とＴＩＳによる影響のどちらを優先的に考慮するかは、重ね合わせ誤差の計測を行うサンプル等に応じて適宜決定する。すなわち、それぞれの持つコントラスト又はフォーカスの絶対値に許容値を設け、許容値からはずれたものの解は用いない、或いはバックグラウンド・ノイズがリミット値以上に大きい場合には、バックグラウンド・ノイズによる影響を優先的に考慮したフォーカス群を選択するようなアルゴリズムを適用してもよい。
【００６９】
こうして評価されたＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの候補の各組の乖離量と、所定の許容値とを比較する。乖離量が許容値よりも小さければ、その候補の組のＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの平均値を求める。このフォーカス値の平均値を重ね合わせ検査に用いる最適フォーカス値として決定する。
【００７０】
例えば、表１に示すＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの候補の場合、（ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TIS）＝（−０．４、−０．８、−０．７）の候補の組の乖離量が所定の許容値よりも小さければ、これらの平均値である−０．６μｍを最適フォーカス値と決定する。
【００７１】
なお、許容値よりも乖離量が小さな候補の組が存在しない場合には、解なしでアラームが上がるようにしてもよいし、乖離量の最も小さいものを注釈付で用いてもよい。また、ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの候補から優先度の低いものを除いて最適フォーカス値を求めてもよい。
【００７２】
以上のようにして、バックグラウンド・ノイズの影響と、ＴＩＳの影響とを低減した状態で重ね合わせ検査を行うことができる最適フォーカス値を決定することができる。
【００７３】
こうして決定された最適フォーカス値を用いて、半導体装置の所定の製造プロセスにおいて重ね合わせの検査を行う。すなわち、上述のようにして決定された最適フォーカス値を用いてアライメントマーク３０ａ、３０ｂを撮像し、撮像された画像を信号処理することにより、アライメントマーク３０ａ、３０ｂ間の距離を計測する。こうして、ウェーハ２８上に形成された各層の重ね合わせの誤差を計測する。
【００７４】
なお、同一プロセスにおいては、各ウェーハについてほぼ同じ状態でヒロック等が生じるため、重ね合わせ検査において各ウェーハについてバックグラウンド・ノイズがほぼ同様に発生する。したがって、同一プロセスにおいては、所定のウェーハについて決定された最適フォーカス値を用いて、他のウェーハについて高精度の重ね合わせ検査を行うことができる。
【００７５】
また、異なる半導体装置の製造プロセスにおいて重ね合わせ検査を行う場合等には、上述のようにして、ＴＩＳの影響を低減した状態で重ね合わせ検査を行うことができるフォーカス値を適宜再設定することができる。
【００７６】
このように、本実施形態によれば、フォーカスを変化してアライメントマークを撮像し、アライメントマークのイメージにおけるバックグラウンド・ノイズを数値化し、ＴＩＳの影響をも考慮してバックグラウンド・ノイズを低減するフォーカス値を算出するので、半導体装置の各層間の重ね合わせ検査を高精度に行うことができる。
【００７７】
［変形実施形態］
本発明の上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００７８】
例えば、上記実施形態では、フォーカス値に対するイメージコントラストのグラフ、フォーカス値に対するＴＩＳのグラフのそれぞれを４次曲線で近似したが、近似は４次曲線によるものに限定されるものではない。
【００７９】
また、上記実施形態では、ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの乖離量の評価を、３σを用いる方法等により行ったが、評価方法はこれに限定されるものではない。例えば、ＢＦnoise、ＢＦX_TIS、ＢＦY_TISの総和が例えば０μｍ等の特定の値に近い順に選択する等の方法を用いることもできる。
【００８０】
また、上記実施形態では、矩形状のアライメントマーク３０ａ、３０ｂが四角形状に配列されていたが、アライメントマークのパターン形状や配列はこれに限定されるものではない。
【００８１】
また、上記実施形態では、アライメントマーク３０ａ、３０ｂのパターンを溝４０、３４により構成したが、アライメントマークのパターンは溝に限らず突起構造等によって構成してもよい。
【００８２】
また、上記実施形態では、バックグラウンド・ノイズの影響とＴＩＳの影響の両者を低減する最適フォーカス値を求めたが、ＴＩＳの影響が殆ど存在しない場合或いは無視できる場合等には、ＢＦnoiseを求めるのみでよい。
【００８３】
また、上記実施形態では、ウェーハ上に形成された複数の層の重ね合わせ誤差の検査について説明したが、ウェーハのみならずガラス基板等の基板上に形成された複数の層の重ね合わせ誤差の検査について適用することができる。
【００８４】
（付記１）  複数の層に形成されたアライメントマークに照明光を照射し、前記アライメントマークによる反射光又は回折光を結像して前記アライメントマークを撮像し、撮像した画像を処理することにより得られた撮像信号に基づき、前記複数の層の重ね合わせ誤差を計測する重ね合わせ検査方法において、前記アライメントマークを撮像するときのフォーカスを変化して前記アライメントマークを撮像し、前記フォーカスを変化して撮像した前記アライメントマークの画像中のノイズを数値化し、前記ノイズの数値化の結果に基づき、前記重ね合わせ誤差の計測に用いる最適フォーカス値を決定することを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【００８５】
（付記２）  付記１記載の重ね合わせ検査方法において、数値化した前記ノイズが極小となるフォーカス値を、前記最適フォーカス値と決定することを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【００８６】
（付記３）  付記１記載の重ね合わせ検査方法において、前記照明光を照射する照射光学系及び／又は前記反射光又は前記回折光を結像する結像光学系の光学的収差を考慮して、前記最適フォーカス値を決定することを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【００８７】
（付記４）  付記３記載の重ね合わせ検査方法において、前記ノイズが極小となるフォーカス値と、前記光学的収差による影響の変動が最小となるフォーカス値との平均値を、前記最適フォーカス値とすることを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【００８８】
（付記５）  付記１乃至４のいずれかに記載の重ね合わせ検査方法において、撮像された前記アライメントマークの前記画像のコントラストに基づき、前記ノイズを数値化することを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【００８９】
（付記６）  複数の層に形成されたアライメントマークに照明光を照射する照射光学系と、前記アライメントマークによる反射光又は回折光を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像された前記反射光又は前記回折光から前記アライメントマークを撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された画像を信号処理し、前記複数の層の重ね合わせ誤差を計測する信号処理手段とを有する重ね合わせ検査装置において、前記撮像手段は、前記アライメントマークを撮像するときのフォーカスを変化して前記アライメントマークを撮像し、前記信号処理手段は、前記撮像手段により前記フォーカスを変化して撮像した前記アライメントマークの画像中のノイズを数値化し、前記ノイズの数値化の結果に基づき、前記重ね合わせ誤差の計測に用いる最適フォーカス値を決定することを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【００９０】
（付記７）  付記６記載の重ね合わせ検査装置において、前記信号処理手段は、数値化した前記ノイズが極小となるフォーカス値を、前記最適フォーカス値と決定することを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【００９１】
（付記８）  付記６記載の重ね合わせ検査装置において、前記信号処理手段は、前記照射光学系及び／又は前記結像光学系の光学的収差を考慮して、前記最適フォーカス値を決定することを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【００９２】
（付記９）  付記８記載の重ね合わせ検査装置において、前記信号処理手段は、前記ノイズが極小となるフォーカス値と、前記光学的収差による影響の変動が最小となるフォーカス値との平均値を、前記最適フォーカス値とすることを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【００９３】
（付記１０）  付記６乃至９のいずれかに記載の重ね合わせ検査装置において、前記信号処理手段は、前記撮像手段により撮像された前記アライメントマークの前記画像のコントラストに基づき、前記ノイズを数値化することを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【００９４】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、基板上の複数の層に形成されたアライメントマークに照明光を照射し、アライメントマークによる反射光又は回折光を結像してアライメントマークを撮像し、撮像した画像を処理することにより得られた撮像信号に基づき、複数の層の重ね合わせ誤差を計測する重ね合わせ検査方法において、アライメントマークを撮像するときのフォーカスを変化してアライメントマークを撮像し、フォーカスを変化して撮像したアライメントマークの画像中のノイズを数値化し、数値化したノイズとフォーカスとの関係に基づき、重ね合わせ誤差の計測に用いる最適フォーカス値を決定するので、半導体装置の製造工程における重ね合わせ検査へのバックグラウンド・ノイズの影響を低減することができる。したがって、高精度の重ね合わせ検査を実現することができる。
【００９５】
また、照明光を照射する照射光学系及び／又は反射光又は回折光を結像する結像光学系の光学的収差をも考慮して、最適フォーカス値を決定するので、さらに高精度の重ね合わせ検査を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による重ね合わせ検査装置の構成を示す概略図である。
【図２】アライメントマークが形成された半導体装置の構造を示す概略図である。
【図３】フォーカスを変えて撮像したアライメントマークのイメージを示す図である。
【図４】画像処理視野上のコントラストを変化させ、バックグラウンド・ノイズが消失したときの画像処理視野上のイメージを示す図である。
【図５】フォーカス値に対して画像処理視野上のコントラストをプロットしたグラフである。
【図６】フォーカス値に対してＴＩＳをプロットしたグラフである。
【符号の説明】
１０…光源
１２…ライトガイド
１４…照射レンズ群
１６…ハーフミラー
１８…対物レンズ群
２０…ステージ
２２…接眼レンズ群
２４…ＣＣＤカメラ
２６…信号処理部
２８…ウェーハ
３０ａ、３０ｂ…アライメントマーク
３２…絶縁層
３４…溝
３６…導電層
３８…レジスト膜
４０…溝
【図１】
0003916974.tif 000003
【図２】
0003916974.tif 000004
【図３】
0003916974.tif 000005
【図４】
0003916974.tif 000006
【図５】
0003916974.tif 000007
【図６】
0003916974.tif 000008