(57)【要約】【課題】ＳＥＭで撮像して得た基準画像と計測画像とを比較して、半導体パターンの上下層に形成されたパターンのオーバーレイを計測する場合、上層のパターンのＳＥＭ画像のコントラストに対し、下層のパターンのＳＥＭ画像のコントラストが相対的に低く、計測結果に基づいて基準画像と計測画像とを重畳しても位置合わせ状態の確認が困難であった。【解決手段】ＳＥＭで撮像し得られた基準画像と計測画像とから、オーバーレイ計測対象のパターンの位置ずれ量を求め、基準画像と計測画像を微分処理し、微分処理した基準画像と計測画像とを先に求めた位置ずれ量に基づいて位置合わせを行い、位置合わせを行った微分基準画像と微分計測画像との濃淡値を、各画像で異なる色の明度として彩色して重畳し、求めた位置ずれ量と共に表示するようにした。【選択図】  図１３
2016058637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスの異なる層に形成されたパターン間のオーバーレイを計測する方法であって、
走査型電子顕微鏡を用いて半導体デバイスの上層に形成されたパターンと下層に形成されたパターンとの間の合わせずれであるオーバーレイがない状態のパターンを含む基準画像を取得するステップ、
走査型電子顕微鏡を用いて半導体デバイスの前記上層に形成された計測対象のパターンと前記下層に形成されたパターンとを含む計測画像を取得するステップ、
前記取得した基準画像と前記取得した計測画像の対応するパターンの位置ずれ量を算出するステップ、
前記取得した基準画像と前記取得した計測画像を微分処理して微分基準画像と微分計測画像を生成するステップ、
前記生成した微分基準画像の濃淡値に対応した明度値を有する第１の色で彩色して彩色微分基準画像を生成し、前記生成した微分計測画像の濃淡値に対応した明度値を有する前記第１の色と異なる第２の色で彩色して彩色微分計測画像を生成するステップ、
前記算出したパターンの位置ずれ量の情報を用いて前記彩色微分基準画像あるいは前記彩色微分計測画像の位置補正を行うステップ、
前記位置補正を行った彩色微分基準画像と前記彩色微分計測画像とを重畳して前記算出したパターンの位置ずれ量の情報と共に表示するステップ
とを有することを特徴とするオーバーレイ計測方法。
【請求項２】
前記第１の色と前記第２の色とは補色の関係にあることを特徴とする請求項１記載のオーバーレイ計測方法。
【請求項３】
前記微分基準画像と微分計測画像を生成するステップにおいて、前記取得した基準画像と前記取得した計測画像を微分処理し、前記取得した基準画像と前記取得した計測画像とを反転処理して２値化した反転２値基準画像と反転２値計測画像とを生成し、前記微分処理した基準画像を前記生成した反転２値基準画像でマスキングして前記微分基準画像を生成し、前記微分処理した計測画像を前記生成した反転２値計測画像でマスキングして前記微分計測画像を生成することを特徴とする請求項１記載のオーバーレイ計測方法。
【請求項４】
前記表示するステップにおいて、前記彩色微分計測画像に変えて、前記計測画像を前記位置補正を行った彩色微分基準画像と重畳して表示することを特徴とする請求項１記載のオーバーレイ計測方法。
【請求項５】
前記表示するステップにおいて、前記彩色微分基準画像に変えて、前記基準画像を前記彩色微分計測画像と重畳して表示することを特徴とする請求項１記載のオーバーレイ計測方法。
【請求項６】
前記パターンの位置ずれ量を算出するステップにおいて、前記取得した基準画像における前記半導体デバイスの前記上層に形成されたパターンの画像と前記取得した計測画像における前記半導体デバイスの前記上層に形成された計測対象パターンの画像との位置ずれ量と、前記取得した基準画像における前記半導体デバイスの前記下層に形成されたパターンの画像と前記取得した計測画像における前記半導体デバイスの前記下層に形成された計測対象パターンの画像との位置ずれ量とを算出することを特徴とする請求項１記載のオーバーレイ計測方法。
【請求項７】
前記彩色微分基準画像と前記彩色微分計測画像の重畳表示とともに、オーバーレイの計測結果をベクトル表示することを特徴とする請求項１記載のオーバーレイ計測方法。
【請求項８】
半導体デバイスの異なる層に形成されたパターンのオーバーレイを計測する装置であって、
半導体デバイスの上層に形成されたパターンと下層に形成されたパターンとの間の合わせずれであるオーバーレイがない状態のパターンを含む領域を撮像して基準画像を取得し、前記半導体デバイスの前記上層に形成された計測対象のパターンと前記下層に形成された計測対象のパターンとを含む領域を撮像して計測画像を取得する走査型電子顕微鏡手段と、
前記走査型電子顕微鏡手段で取得した前記基準画像と前記計測画像の対応するパターンの位置ずれ量を算出する位置ずれ量算出手段と、 
前記走査型電子顕微鏡手段で取得した前記基準画像と前記計測画像とを微分処理して微分基準画像と微分計測画像を生成する微分画像生成手段と、
前記微分画像生成手段で生成した微分基準画像の濃淡値に対応した明度値を有する第１の色で彩色して彩色微分基準画像を生成し、前記微分画像生成手段で生成した微分計測画像の濃淡値に対応した明度値を有する前記第１の色と異なる第２の色で彩色して彩色微分計測画像を生成する彩色微分画像生成手段と、
前記位置ずれ量算出手段で算出したパターンの位置ずれ量の情報を用いて前記彩色微分画像生成手段で生成した彩色微分基準画像あるいは前記彩色微分計測画像の位置補正を行う画像位置補正手段と、
前記画像位置補正手段で位置補正を行った前記彩色微分基準画像と前記彩色微分計測画像とを重畳して前記位置ずれ量算出手段で算出したパターンの位置ずれ量の情報と共に表示する表示手段と
を備えることを特徴とするオーバーレイ計測装置。
【請求項９】
前記彩色微分画像生成手段で彩色する前記第１の色と前記第２の色とは補色の関係にあることを特徴とする請求項８記載のオーバーレイ計測装置。
【請求項１０】
前記微分画像生成手段は、前記走査型電子顕微鏡手段で取得した前記基準画像と前記計測画像とを微分処理し、前記取得した基準画像と前記取得した計測画像とを反転処理して２値化した反転２値基準画像と反転２値計測画像とを生成し、前記微分処理した基準画像を前記生成した反転２値基準画像でマスキングして前記微分基準画像を生成し、前記微分処理した計測画像を前記生成した反転２値計測画像でマスキングして前記微分計測画像を生成することを特徴とする請求項８記載のオーバーレイ計測装置。
【請求項１１】
前記表示手段は、前記彩色微分計測画像に変えて、前記計測画像を前記位置補正を行った彩色微分基準画像と重畳して表示することを特徴とする請求項８記載のオーバーレイ計測装置。
【請求項１２】
前記表示手段は、前記彩色微分基準画像に変えて、前記基準画像を前記彩色微分計測画像と重畳して表示することを特徴とする請求項８記載のオーバーレイ計測装置。
【請求項１３】
前記位置ずれ量算出手段は、前記取得した基準画像における前記半導体デバイスの前記上層に形成されたパターンの画像と前記取得した計測画像における前記半導体デバイスの前記上層に形成された計測対象パターンの画像との位置ずれ量と、前記取得した基準画像における前記半導体デバイスの前記下層に形成されたパターンの画像と前記取得した計測画像における前記半導体デバイスの前記下層に形成された計測対象パターンの画像との位置ずれ量とを算出することを特徴とする請求項８記載のオーバーレイ計測装置。
【請求項１４】
前記位置ずれ量算出手段は、前記オーバーレイの計測結果としてオーバーレイのベクトルを求め、前記表示手段は、前記彩色微分基準画像と前記彩色微分計測画像の重畳表示とともに、オーバーレイの計測結果をベクトル表示することを特徴とする請求項８記載のオーバーレイ計測装置。
【請求項１５】
半導体デバイスの異なる層に形成されたパターンのオーバーレイを、走査型電子顕微鏡で撮像して取得した前記半導体デバイスの上層に形成されたパターンと下層に形成されたパターンとの間の合わせずれであるオーバーレイがない状態のパターンを含む領域の基準画像と前記半導体デバイスの前記上層に形成された計測対象のパターンと前記下層に形成された計測対象のパターンとを含む領域の計測画像との比較により計測したオーバーレイ計測結果を表示する装置であって、 
前記基準画像の微分フィルター画像の濃淡値に対応した明度値を有する第１の色で彩色された彩色微分基準画像と、前記計測画像の微分フィルター画像の濃淡値に対応した明度値を有する前記第１の色１とは異なる第２の色で彩色された彩色微分計測画像を重畳して表示することを特徴とするオーバーレイ計測表示装置。
【請求項１６】
前記第１の色と前記第２の色とは補色の関係にあることを特徴とする請求項１５記載のオーバーレイ計測表示装置。
【請求項１７】
前記彩色微分計測画像に変えて、前記計測画像を前記彩色微分基準画像と重畳して表示することを特徴とする請求項１５記載のオーバーレイ計測表示装置。
【請求項１８】
前記彩色微分基準画像に変えて、前記基準画像を前記彩色微分計測画像と重畳して表示することを特徴とする請求項１５記載のオーバーレイ計測表示装置。
【請求項１９】
前記彩色微分基準画像と前記彩色微分計測画像の重畳表示とともに、オーバーレイの計測結果をベクトル表示することを特徴とする請求項１５記載のオーバーレイ計測表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウェハの製造中において、異なる製造工程で作成されたパターン間の合わせずれ（オーバーレイ）を計測する方法と、その装置、および表示方法に関するものであって、より詳細には荷電粒子顕微鏡を用いて撮像した画像を用いてオーバーレイを計測する方法とその装置、および表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製品では、動作に必要な回路パターンを形成するために、複数回の露光工程が必要となる。例えば、複数層の回路パターンからなるデバイスの製造では、各層の回路パターンを形成するための露光工程のほか、各層を接続するホールを形成するための露光工程が必要となる。この複数回の露光工程により形成される回路パターンの位置は、許容範囲内に収める必要があり、許容範囲を逸脱した場合、適切な電気特性が得られず、歩留まりが低下する。そのため、露光間の回路パターンの合わせずれ（オーバーレイ）を計測し、露光装置にフィードバックする事が行われている。
【０００３】
半導体プロセスの微細化に伴い、オーバーレイの許容範囲も小さくなっており、製品回路パターンが形成される場所におけるオーバーレイを直接計測することが重要となっている。これを実現するために、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）を用いて製品回路パターンの画像を撮像し、オーバーレイを計測する手法が特開２０１３−１６８５９５号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００４】
特許文献１に記載のオーバーレイ計測方法は、基準画像と被計測画像の画像位置合わせによりオーバーレイを計測するものであり、計測結果の表示を、基準画像と被計測画像の差異部検出結果として表示する方法が、特許文献１の図３０に記載されている。
【０００５】
特表２００５−５２１２５４号公報（特許文献２）には、基準画像と検査画像を彩色し、その相違を顕在化する方法が記載されている。具体的には、基準画像と検査画像の画像比較の検査方法であり、彩色された参照画像の骨格画像と、彩色された参照画像のエッジ骨格化画像、および彩色された検査画像の検査オブジェクトを、画像結合し検査欠陥画像を得る方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１６８５９５号公報
【特許文献２】特表２００５−５２１２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１には、半導体デバイスの製品回路パターンによるオーバーレイ計測を、基準画像と計測画像でオーバーレイの計測対象となる各パターンの画像位置合わせを行うことで実施することが記載されている。基準画像と計測画像の比較は製品回路パターンを対象としたオーバーレイ計測では実用的な方法であるが、画像位置合わせのための画像処理パラメータの調整や、計測結果の確認のために、画像位置合わせ状態を目視で確認することが必要となる。
【０００８】
オーバーレイ計測の対象工程が穴工程の場合、すなわち上層に形成された穴と、この穴から観察される穴底の下層に形成されたパターンとの位置ずれである場合、穴底から観察される下層に形成されたパターンをＳＥＭで撮像して得られる画像のコントラストは、上層に形成された穴パターンのＳＥＭ画像のコントラストと比べて相対的に小さく、走査型電子顕微鏡で撮像した穴工程の基準画像と計測画像をそのまま重ね合わせた場合、穴底パターンの位置合わせの状態は目視で確認することが難しい。
【０００９】
特許文献１には、基準画像と計測画像の位置合わせ結果の表示方法として、基準画像と計測画像の差異部検出結果を表示することが記載されている。差異部の検出方法として、基準画像と被計測画像を位置合わせした後に濃淡値の差を算出し、差の値が一定値以上となる画素からなる領域を差異部とする方法が記載されている。
【００１０】
図１および図２に、穴形成工程で半導体の回路パターン上に形成した穴パターンをＳＥＭで撮像して得た画像の模式図を示す。この模式図においては、表面層１０１に形成した穴パターン１０２の穴底に下層のパターン１０３が見えている様子を示している。図１は穴パターン１０２と下層のパターン（図１及び図２の例では、パッド）１０３のオーバーレイにずれがない状態の模式図であり、基準画像となるものである。図２は穴パターン１０２と穴底の下層のパターン１０３のオーバーレイにずれがある状態の計測画像である。穴パターン１０２の穴底に見える下層のパターン１０３が形成されている層の下地２０１がより暗く観察されることを示している。走査型電子顕微鏡画像では、穴パターン１０２の穴底の下層に形成されたパターンから検出される電子は表面の上層１０１から検出される電子に比べ少なくなるため、穴底の下層のパターン１０３は暗くなる。
【００１１】
図３と図４は、図１の基準画像と図２の計測画像を重ね合わせ、線画にしたものである。図３と図４の破線は、図１の基準画像における穴パターン１０２及び穴底の下層のパターン１０３のエッジ３０４又は４０４、実線は図２の計測画像における穴パターン１０２のエッジ３０３または４０３と穴底の下層のパターン１０３のエッジ３０２または４０２である。特許文献１に記載された方法では、パターン別に画像の位置合わせを行うとしており、図３の線図３０１は、図１の基準画像から得られた穴底の下層のパターン１０３のエッジ３０４と図２の計測画像から得られた穴底の下層のパターン１０３のエッジ３０２により位置合わせが正常に行われた場合を、図４の線図４０１は、図１の基準画像から得られた穴底の下層のパターン１０３のエッジ４０４と図２の計測画像から得られた穴底の下層のパターン１０３のエッジ４０２による位置合わせが正常に行われなかった場合の例を示すものである。
【００１２】
図３と図４の中の番号を付した各領域３１１〜３１３及び４１１〜４１５は、図１の基準画像と図２の計測画像の番号を付した各領域１０１〜１０３，及び２０１の重なり方が異なり、図１の基準画像と図２の計測画像の濃淡値の差も異なるが、実際の画像では、図１、図２の番号を付した領域内も明るさむらがあり、図１と図２で同じ番号で示した領域も、デバイスの異なる位置で撮像されるため、濃淡値が同一とはならない。このため、図３、図４で示した領域ごとに濃淡値の差は概略異なるものの、実際には領域ごとの差異はもっと不明瞭になり、図３、図４で示すような領域を濃淡値の差で明瞭に示すことは難しい。よって、特許文献１記載のように、基準画像と計測画像の差異部が一定値以上となる領域を表示しても、各パターンにより画像位置合わせが正常に行われたかどうかを判断することは困難である。
【００１３】
特許文献２には、基準画像と検査画像に対して彩色を行い、基準画像と検査画像の差異を検出する方法が記載されている。しかしながら、オーバーレイを計測する対象となるパターンの、どちらか一方のパターンを基準に基準画像と検査画像の位置合わせを行わないため、オーバーレイ計測としての画像位置合わせ結果を表示することができない。また、オーバーレイを計測する対象となる各パターンで位置合わせを行ったとしても、参照画像の骨格画像あるいは、エッジ画像と、検査画像の検査オブジェクトを、論理演算で画像結合しても画像位置合わせが正常にできたか否かを判断できる画像を得ることはできない。
【００１４】
図３、図４における基準画像の穴底の下層のパターン１０３のエッジ画像３０２及び４０２、計測画像の下層パターンの領域３１２，４１２，４１４を検査オブジェクトとして、その論理積を取った結果を図５、図６の５０１、６０１の太線で示した。図５の細い輪郭線５０２，５０３、図６の細い輪郭線６０２〜６０４は、図３、図４で図示されている線画を参考に示したものである。図５、図６に示した太線５０１，６０１のみでは、位置合わせが正常に行われたか否か判断できない。
【００１５】
本発明は、従来技術の問題点を解決して、走査型電子顕微鏡により撮像された半導体デバイスの製品回路画像により、基準画像と計測画像の比較によりオーバーレイの計測を行う方法において、基準画像と計測画像の比較結果を確認容易な、オーバーレイ計測方法、装置、および表示装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明では、半導体デバイスの異なる層に形成されたパターン間のオーバーレイを計測する方法において、走査型電子顕微鏡を用いて半導体デバイスの上層に形成されたパターンと下層に形成されたパターンとの間の合わせずれであるオーバーレイがない状態のパターンを含む基準画像を取得し、走査型電子顕微鏡を用いて半導体デバイスの上層に形成された対象のパターンと下層に形成されたパターンとを含む計測画像を取得し、取得した基準画像と取得した計測画像の対応するパターンの位置ずれ量を算出し、取得した基準画像と取得した計測画像を微分処理して微分基準画像と微分計測画像を生成し、生成した微分基準画像の濃淡値に対応した明度値を有する第１の色で彩色して彩色微分基準画像を生成し、生成した微分計測画像の濃淡値に対応した明度値を有する第１の色と異なる第２の色で彩色して彩色微分計測画像を生成し、算出したパターンの位置ずれ量の情報を用いて彩色微分基準画像あるいは彩色微分計測画像の位置補正を行い、位置補正を行った彩色微分基準画像と彩色微分計測画像とを重畳して算出したパターンの位置ずれ量の情報と共に表示するようにした。
【００１７】
また、上記課題を解決するために、本発明では、半導体デバイスの異なる層に形成されたパターンのオーバーレイを計測する装置を、半導体デバイスの上層に形成されたパターンと下層に形成されたパターンとの間の合わせずれであるオーバーレイがない状態のパターンを含む領域を撮像して基準画像を取得し、半導体デバイスの上層に形成された計測対象のパターンと下層に形成された計測対象のパターンとを含む領域を撮像して計測画像を取得する走査型電子顕微鏡手段と、走査型電子顕微鏡手段で取得した基準画像と計測画像の対応するパターンの位置ずれ量を算出する位置ずれ量算出手段と、走査型電子顕微鏡手段で取得した基準画像と計測画像とを微分処理して微分基準画像と微分計測画像を生成する微分画像生成手段と、微分画像生成手段で生成した微分基準画像の濃淡値に対応した明度値を有する第１の色で彩色して彩色微分基準画像を生成して微分画像生成手段で生成した微分計測画像の濃淡値に対応した明度値を有する第１の色と異なる第２の色で彩色して彩色微分計測画像を生成する彩色微分画像生成手段と、位置ずれ量算出手段で算出したパターンの位置ずれ量の情報を用いて彩色微分画像生成手段で生成した彩色微分基準画像あるいは彩色微分計測画像の位置補正を行う画像位置補正手段と、画像位置補正手段で位置補正を行った彩色微分基準画像と彩色微分計測画像とを重畳して位置ずれ量算出手段で算出したパターンの位置ずれ量の情報と共に表示する表示手段とを備えて構成した。
【００１８】
更に、上記課題を解決するために、本発明では、半導体デバイスの異なる層に形成されたパターンのオーバーレイを、走査型電子顕微鏡で撮像して取得した半導体デバイスの上層に形成されたパターンと下層に形成されたパターンとの間の合わせずれであるオーバーレイがない状態のパターンを含む領域の基準画像と半導体デバイスの上層に形成された計測対象のパターンと下層に形成された計測対象のパターンとを含む領域の計測画像との比較により計測したオーバーレイ計測結果を表示する装置において、基準画像の微分フィルター画像の濃淡値に対応した明度値を有する第１の色で彩色された彩色微分基準画像と、計測画像の微分フィルター画像の濃淡値に対応した明度値を有する第１の色とは異なる第２の色で彩色された彩色微分計測画像を重畳して表示するようにした。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて半導体デバイスを撮像して得られたＳＥＭ画像を用いた、基準画像と計測画像の比較による半導体デバイスの製品回路を用いたオーバーレイ計測において、得られたオーバーレイ量に応じて基準画像あるいは計測画像をずらして重畳表示したとき、視認性の良い重畳表示を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、穴パターン形成工程を経て穴パターンが形成された半導体デバイスを走査型電子顕微鏡で撮像して得られた画像であって、穴パターンと下層に形成されたパターンとの間にずれがない状態を示す基準画像の模式図である。
【図２】図２は、穴パターン形成工程を経て穴パターンが形成された半導体デバイスを走査型電子顕微鏡で撮像して得られた画像であって、穴パターンと下層に形成されたパターンとの間にずれが発生している状態を示す穴工程の計測画像の模式図である。
【図３】図１の基準画像と図２の計測画像でそれぞれ観察されるパターンのエッジを抽出した線画であり、それぞれの画像から抽出されたパターンエッジにより位置合わせが正常に行われた状態を示す線図である。
【図４】図１の基準画像と図２の計測画像でそれぞれ観察されるパターンのエッジを抽出した線画であり、それぞれの画像から抽出されたパターンエッジにより位置合わせが正常に行われなかった状態を示す線図である。
【図５】図３の線図において、基準画像における穴パターンの下層に形成されたパターンのエッジ画像と計測画像における穴パターンの下層に形成されたパターンの領域を検査オブジェクトとしてその論理積を取った結果として穴パターンの下層に形成されたパターンのエッジ部分を太線で示した線図である。
【図６】図４の線図において、基準画像における穴パターンの下層に形成されたパターンのエッジ画像と計測画像における穴パターンの下層に形成されたパターンの領域を検査オブジェクトとしてその論理積を取った結果として穴パターンの下層に形成されたパターンのエッジ部分を太線で示した線図である。
【図７】本発明の実施例におけるオーバーレイ計測装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図８】下層にコンタクトプラグが形成され、上層に穴パターンが形成された半導体デバイスの部分断面図であり、下層のコンタクトプラグと上層の穴パターンとの間に合わせずれの無い状態示す。
【図９】図８の状態の半導体デバイスを走査型電子顕微鏡で撮像して得られた画像の模式図である。
【図１０】下層にコンタクトプラグが形成され、上層に穴パターンが形成された半導体デバイスの部分断面図であり、下層のコンタクトプラグと上層の穴パターンとの間に合わせずれが発生している状態示す。
【図１１】図１０の状態の半導体デバイスを走査型電子顕微鏡で撮像して得られた画像の模式図である。
【図１２】本発明の実施例におけるオーバーレイを算出する処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施例におけるオーバーレイを表示する画像を生成する手順を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施例の変形例におけるマスク処理を伴う基準画像及び計測画像を生成する手順を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の実施例の変形例における表示画像１３１０と１３１５とを重ね合わせた状態を示す図である。
【図１６】本発明の実施例の変形例における表示画像１３１０と１３１５とを重ね合わせた状態における穴パターンの代表位置の変化をベクトル表示した図である。
【図１７】本発明の実施例の変形例における表示画像の例で、図１３の表示画像１３１０に計測画像を重畳した状態を示す表示画像である。
【図１８】本発明の実施例の変形例における表示画像の例で、図１３の表示画像１３１０に基準画像を重畳した状態を示す表示画像である。
【図１９】本発明の実施例におけるオーバーレイを計測する処理手順を示すフローチャートである。
【図２０】本発明の実施例におけるオーバーレイを計測した結果を表示する画面の構成を示す表示画面の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、半導体デバイスの多層に形成された回路パターンの、各層間のパターンのオーバーレイを計測することに関するものであって、回路パターンを撮像して得られたＳＥＭ画像による基準画像と計測画像とを用いて計測して得られたオーバーレイ量に応じて基準画像あるいは計測画像を位置を補正して重畳して表示するときに、視認性の良い重畳表示が行えるようにしたものである。  
以下に、図を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２２】
図７に本発明に関わるオーバーレイ計測装置１０００の全体構成図を示す。オーバーレイ計測装置１０００は、走査型電子顕微鏡装置７００と処理・制御部７５０を備えて構成されている。
【００２３】
走査型電子顕微鏡装置７００は、半導体ウェハ７０７を載置するステージ７０６、電子銃７０２より放出された電子ビーム７０１を制御する照射光学系７１０、電子ビーム７０１が照射された試料(半導体ウェハ７０７)上から放出される２次電子あるいは反射電子７０９を検出する検出器７０８を備えて構成される。照射光学系７１０は、電子銃７０２、および、電子ビーム７０１の経路上にあるコンデンサレンズ７０３、偏向コイル７０４、対物レンズ７０５を備えている。電子ビーム７０１はこの照射光学系７１０により半導体ウェハ７０７上の観察対象である欠陥がある所定の領域で集光される。
【００２４】
処理・制御部７５０は、Ａ/Ｄコンバータ７５１、画像処理部７５２、全体制御部７５３、電子光学系制御部７５４、ステージコントローラ７５５、表示端末７５６を備えている。
【００２５】
走査型電子顕微鏡装置７００で、電子ビーム７０１が照射された半導体ウェハ７０７から放出された２次電子あるいは反射電子を検出した検出器７０８から出力された検出信号は、Ａ/Ｄコンバータ７５１によりデジタル信号に変換される。変換後のデジタル信号は画像処理部７５２に送られ、画像処理部７５２では、Ａ/Ｄコンバータ７５１から送られてきたデジタル信号を用いて画像処理を行い、画像内の欠陥位置の検出等を行ない、その結果を全体制御部７５３を介して表示端末７５６に表示して出力する。ステージコントローラ７５５は、全体制御部７５３からの制御信号を受けて走査型電子顕微鏡装置７００のステージ７０６を駆動する。電子光学系制御部７５４は、全体制御部７５３からの制御信号を受けて走査型電子顕微鏡装置７００の電子銃７０２、コンデンサレンズ７０３、偏向コイル７０４、対物レンズ７０５等を制御する。
【００２６】
画像処理部７５２、全体制御部７５３、制御端末７５６へは記録媒体（図示せず）が接続可能となっており、画像処理部７５２で実行されるプログラムを、この記録媒体から読み出し、画像処理部７５２にロードできる構成となっている。
【００２７】
以降のオーバーレイの計測の説明において、計測の対象となる半導体ウェハ７０７に形成されたデバイスパターンの例を図８、図１０の模式図で、その撮像画像の例を図９、図１１で説明する。
【００２８】
図８は、下層８０２にコンタクトプラグ８０４が形成され（図示を省略しているが、実際には、コンタクトプラグ８０４の表面には、コンタクトプラグとほぼ同じ径の薄膜のコンタクトパッドが形成されており、図１の例では、実際にはコンタクトパッドを観察している）、上層８０１に穴パターン８０３が形成された半導体デバイスの部分断面を簡略化した模式的断面図であり、下層のコンタクトプラグ８０４と上層の穴パターン８０３とが整列して合わせずれの無い状態示す。
【００２９】
図９は、図８の穴パターン８０３を含む領域を走査型電子顕微鏡装置７００を用いて上方から撮像したとき得られるＳＥＭ画像を示し、図８の上層８０１が領域９０１、下層のコンタクトプラグ８０４が領域９０２、穴パターン８０３の輪郭がパターン９０３として撮像されている。以降、走査型電子顕微鏡装置７００で撮像して得られたＳＥＭ画像中で穴パターン８０３を通して観察される下層８０２に形成されたコンタクトプラグ８０４を下層パターン９０２と呼ぶ。また、上層８０１に作成された穴８０３に対応するＳＥＭ画像を単に上層パターン９０３と呼ぶこともある。
【００３０】
図１０は、下層１００２にコンタクトプラグ１００４が形成され、上層１００１に穴パターン１００３が形成された半導体デバイスの部分断面を簡略化した模式的断面図であり、下層のコンタクトプラグ１００４と上層の穴パターン１００３との間に合わせずれが発生している状態を示すものである。
【００３１】
図１１は、図１０の穴パターン１００３を含む領域を走査型電子顕微鏡装置７００を用いて上方から撮像した上層１００１の表面に対応する領域１１０１のＳＥＭ画像であり、穴パターン１００３の輪郭１１０３に対し、下層のコンタクトプラグ１００４の領域１１０２がずれ、下層１００２が図１１で一番暗い領域１１０４として撮像されている。
【００３２】
この上層８０１（１００１）に形成された穴パターン８０３（１００３）下層８０２（１００２）に形成されたコンタクトプラグ８０４（１００４）の合わせずれを見ることがオーバーレイの計測の目的であり、撮像画像の処理においては図８（図１０）の断面図における下層８０２（１００２）に形成されたコンタクトプラグ８０４（１００４）に対応する図９（図１１）に示すＳＥＭ画像中における下層パターン９０２（１１０２）と、図８（図１０）の断面図における上層８０１（１００１）に形成された穴パターン８０３（１００３）に対応する図９（図１１）に示すＳＥＭ画像中における上層パターン９０３（１１０３）で現される穴パターンのずれを計測する。
【００３３】
図８及び図１０では下層８０２又は１００２に形成されるパターン８０４又は１００４をコンタクトプラグで説明したが、下層８０２又は１００２に形成されるパターンはコンタクトプラグに限られるものではなく、その他のパターンでも構わない。また、図９及び図１１では穴パターン９０３及び１１０３の形状は丸で図示しているが、画像中の穴の形状は丸に限られるものではない。
【００３４】
本実施例で述べる、基準画像と計測画像の比較によるオーバーレイ計測では、図９のようにオーバーレイ計測の対象となる二つのパターン、この例では穴パターン８０３に対応する上層パターン９０３とコンタクトプラグ８０４に対応する下層パターン９０２が整列した状態の画像を基準画像とする。この基準画像はユーザ選択により一箇所で撮像したもの、あるいは複数個所で撮像した画像から作成したものでも構わない。また、以下図１２を用いて説明する基準画像と計測画像との比較によるオーバーレイの計測においては、基準画像の領域９０２と輪郭９０３を上層パターンの表面の穴の輪郭や領域情報として、同じく領域９０２と輪郭９０３を下層パターンとの境界面である穴パターン８０３の穴底の輪郭や領域情報として用いる。
【００３５】
図１２に走査型電子顕微鏡７００を用いて取得した半導体ウェハ７０７のＳＥＭ画像における基準画像と計測画像の比較によるオーバーレイ計測処理のフローを示す。まず、下層パターンの像１２０１１を含む基準画像１２０１（図９で説明した画像に相当）と、計測対象となる下層パターンの像１２０２１と下層の像１２０２２とを含む計測画像１２０２（図１１で説明した画像に相当）との各々の画像からオーバーレイ計測対象となるパターンの抽出を行い（Ｓ１２５１）、上層パターン画像１２１１と下層パターン画像１２１２を作成する。上層パターンの画像１２１１としては、穴パターンの画像１２０４を含む基準画像１２０３と穴パターン画像１２０６を含む計測画像１２０５を作成する。下層パターンの画像１２１２としては、下層パターンの像１２０１１に対応するコンタクトプラグパターン画像１２０８を含む基準画像１２０７と、下層パターンの像１２０２１に対応するコンタクトプラグパターン画像１２１０を含む計測画像１２０９を作成する。上層パターンの画像１２１１及び下層パターンの画像１２１２の抽出は濃淡値ベースの領域分割など、画像処理における領域分割の手法を用いることができる。
【００３６】
次に、作成した上層パターンの画像１２１１において基準画像１２０３と計測画像１２０５の画像位置合わせを行い（Ｓ１２５２）、上層パターンの画像１２１１の基準画像１２０４における穴パターン画像１２０４と計測画像１２０５における穴パターン画像１２０６との間の位置ずれ量（ΔUx、ΔUy ）を求める（Ｓ１２５４）。
【００３７】
図１２では抽出したパターンを２値画像で表しているが、上層パターンの画像１２１１の穴パターン８０３，１００３に該当する穴パターン画像１２０４，１２０６の領域、及び、下層パターンの画像１２１２のコンタクトプラグ８０４，１００４に該当するコンタクトプラグパターン画像１２０８，１２１０の領域のみの原画像、あるいは上層パターンの画像１２１１及び下層パターンの画像１２１２の該当する領域のみの原画像をフィルター処理したその他の画像を用いることにより、ステップＳ１２５２における画像位置合わせの精度を向上できる場合もある。
【００３８】
下層パターンの画像１２１２についても、上層パターンの画像１２１１の場合と同様に、基準画像１２０７と計測画像１２０９の画像位置合わせを行い（Ｓ１２５３）、下層パターンの画像１２１２の基準画像１２０７におけるコンタクトプラグパターン画像１２０８と計測画像１２０９におけるコンタクトプラグパターン画像１２１０との位置ずれ量（ΔLx、ΔLy ）を求める（Ｓ１２５５）。最後に、Ｓ１２５４とＳ１２５５の結果を用いてオーバーレイ量（Δｘ、Δｙ）を算出する（Ｓ１２５６）。
【００３９】
この方法では、基準画像における上層と下層の二つのパターンの位置関係に対し、計測画像における上層と下層の二つのパターンの位置関係が相対的にどれだけずれたかを計測することができる。
【００４０】
なお、図１２では画像中に１個のパターンがある場合で説明したが、画像中に複数のパターンがあってもよい。複数のパターンがある場合は、個々のパターンで図１２に示すオーバーレイ量を算出した後に、その平均値を取れば良い。
【００４１】
別の方法としては、画像中の複数のパターンを一括で処理する方法も考えられる。すなわち、上層パターン画像では複数のパターンを含む基準画像と計測画像の画像比較を行い、上層パターン位置ずれ量を求め、下層パターン画像では複数のパターンを含む基準画像と計測画像の画像比較を行い、下層パターン位置ずれ量を求める。求めた上層パターン位置ずれ量と、下層パターン位置ずれ量から、オーバーレイ量を算出すればよい。
【００４２】
図１３に図１２のオーバーレイ計測の結果表示の処理手順を示す。図１２で示した基準画像１２０１と、計測対象となる計測画像１２０２に対し、微分フィルター処理を行い（Ｓ１３５１）、上層の穴パターン画像１３０２（下層のコンタクトプラグパターン画像１３０２でもある）を含む微分基準画像１３０１と、上層の穴パターン画像１３０４と下層のコンタクトプラグパターン画像１３０５を含む微分計測画像１３０３を生成する。微分フィルターとしてはソーベルフィルターなどを用いる。
【００４３】
次に、微分基準画像１３０１を色１で彩色し（Ｓ１３５２）、微分計測画像１３０３を色２で彩色する（Ｓ１３５３）。色１と色２は異なる色であり、色対比効果の高い色を選択する。具体的には、色１と色２は補色の関係、あるいはRGBカラーモデルで色１はRのみ、色２はGとBの混色を使用する、あるいは色１はGとBの混色、色２はRのみとする。微分基準画像１３０１の彩色では、微分基準画像１３０１の濃淡値を、線形変換、あるいは非線形変換した値を色１の明度として設定する。微分計測画像１３０３の彩色についても同様である。
【００４４】
次に、彩色した微分基準画像１３０１の画像位置補正を、図１２の処理フローにおけるステップＳ１２５５で算出した下層パターンの位置ずれ量（ΔＬｘ，ΔＬｙ）を用いて行い（Ｓ１３５４）、微分基準画像１３０１の下層のコンタクトプラグパターン画像１３０２（上層の穴パターン画像でもある）の位置を、微分計測画像１３０３の下層のコンタクトプラグパターン画像１３０５の位置に合わせる。
【００４５】
最後に、微分基準画像１３０１に対してＳ１３５２で彩色してＳ１３５４で位置補正した画像を、微分計測画像１３０３に対してＳ１３５３で彩色した画像と重畳し（Ｓ１３５６）、表示画像１３１０を得る。表示画像１３１０は、微分フィルター処理（Ｓ１３５１）によりパターンのエッジが強調され、かつＳ１３５２とＳ１３５３とで異なる色で彩色された基準画像と計測画像が重畳されたものである。この表示画像１３１０は、表示端末７５６の画面上に表示される。
【００４６】
表示画像１３１０における１３１１は、微分基準画像１３０１における下層のコンタクトプラグパターン画像１３０２の輪郭（微分基準画像１３０１における上層の穴パターン画像１３０２の輪郭でもある）、１３１２は微分計測画像１３０３における下層のコンタクトプラグパターン画像１３０５の輪郭、１３１３は微分計測画像１３０３における上層の穴パターン画像１３０４の輪郭である。この表示画像１３１０により微分基準画像１３０１における下層のコンタクトプラグパターン画像１３０２と微分計測画像１３０３における下層のコンタクトプラグパターン画像１３０５の位置合わせが正常に行われていることが確認できる。
【００４７】
表示画像１３１０では見易さのために、微分基準画像１３０１における下層のコンタクトプラグパターン画像１３０２の輪郭１３１１と、微分計測画像１３０３における下層のコンタクトプラグパターン画像１３０５の輪郭１３１２は少しずらして描いている。実際の画像では、表示画像１３１０における輪郭１３１１、１３１２、１３１３は図示したように細い線ではなく、パターンエッジ位置で最も明るく、離れるに従って暗くなる幅のある線である。先に述べた彩色の仕方に従えば、輪郭１３１１と１３１２と１３１３の何れかが重なっている重畳部では透過性が確保されているので、幅太の濃淡を持つ線パターンの重畳状態の確認が容易になる。
【００４８】
一方、微分基準画像１３０１における上層の穴パターン画像１３０２と微分計測画像１３０３における上層の穴パターン画像１３０４の位置合わせの結果を確認する場合は、Ｓ１３５２において彩色した微分基準画像１３０１に対して、Ｓ１２５４で算出した上層パターン位置ずれ量（ΔＵｘ，ΔＵｙ）を用いて行い（Ｓ１３５５）、微分基準画像１３０１における上層の穴パターン画像１３０２の位置を微分計測画像１３０３における上層の穴パターン画像１３０４の位置に合わせた上で、Ｓ１３５３で彩色した微分計測画像１３０３と重畳し（Ｓ１３５７）、表示画像１３１５を得る。この表示画像１３１５は、表示端末７５６の画面上に表示される。
【００４９】
表示画像１３１５は微分フィルター処理（Ｓ１３５１）によりパターンのエッジが強調され、かつＳ１３５２又はＳ１３５３で異なる色で彩色された微分基準画像１３０１と微分計測画像１３０３がＳ１３５７において重畳されたものである。
【００５０】
表示画像１３１５における１３１４は、微分基準画像１３０１における上層の穴パターン画像１３０２の輪郭（下層のコンタクトプラグパターン画像の輪郭でもある）、１３１２は微分計測画像１３０３における下層のコンタクトプラグパターン画像１３０５の輪郭、１３１３は微分計測画像１３０３における上層の穴パターン画像１３０４の輪郭である。この表示画像１３１５により微分基準画像１３０１の上層の穴パターン画像１３０２と微分計測画像１３０３の上層の穴パターン画像１３０４の位置合わせが正常に行われていることが確認できる。
【００５１】
表示画像１３１５では見易さのために、微分基準画像１３０１における上層の穴パターン画像１３０２の輪郭１３１４と、微分計測画像１３０３の上層の穴パターン１３０４の輪郭１３１３は少しずらして描いている。
【００５２】
表示画像１３１０、および表示画像１３１５を表示端末７５６の画面上に表示させて確認することで、位置合わせが正常に実行されたか否かが分かり、正常に実行されていれば、上層パターンの位置ずれ量（ΔＵｘ，ΔＵｙ）、下層パターンの位置ずれ量（ΔＬｘ，ΔＬｙ）は正しく計算されており、図１２のＳ１２５６におけるオーバーレイの算出値は信頼できるものと言える。反対に、表示画像１３１０、および表示画像１３１５で輪郭（パターンエッジ）１３１１，１３１２，１３１３の間に、又は輪郭（パターンエッジ）１３１２，１３１３，１３１４の間に異常なずれがある場合は、図１２のＳ１２５２およびＳ１２５３の画像位置合わせに失敗しており、Ｓ１２５６で計算したオーバーレイ量には誤りが含まれる。
【００５３】
図１３で説明した処理の流れでは、Ｓ１３５２で彩色してからＳ１３５４及びＳ１３５５で画像の位置補正を行っていたが、この順序を逆にして、Ｓ１３５４及びＳ１３５５の画像の位置補正を行ってからＳ１３５２の彩色を行うようにしてもよい。
【００５４】
また、図１３で説明した処理の流れでは、微分基準画像１３０１を位置補正して微分計測画像１３０３と重畳し表示画像１３１０及び１３１５を得る手順について説明したが、微分計測画像１３０３を位置補正して微分基準画像１３０１と重畳し表示画像を得るようにしてもよい。
【００５５】
図１４に、図１３で示したオーバーレイ計測の結果表示の処理手順の変形例を示す。基準画像１２０１および計測画像１２０２を、図１３のＳ１３５１で説明したような微分フィルター処理（Ｓ１４０３）を施した結果には、画像１４１１、および画像１４１３に模式的に示すように、計測対象であるパターン１４１２及び１４１４以外にも微分値の高い部分１４１５が現れることがある。このような部分も含めて表示画像を作成すると視認性が落ちるので、基準画像１２０１に対して、基準画像１２０１の上層パターンを２値で抽出した画像１４２１を反転処理（Ｓ１４０１）することで、上層パターンマスク画像１４２２を得る。上層パターンマスク画像１４２２の白い部分１４２３は１、黒い部分１４２４は０とする。この上層パターンマスク画像１４２２により画像１４１１をマスク処理（Ｓ１４０３）することで、計測対象であるパターン以外に現れた微分値の高い部分を消去し、図１３の画像１３０２に相当する微分画像１４２５を得ることができる。
【００５６】
計測画像１２０２に対しても同様にして、計測画像１２０２の上層パターンを２値で抽出した画像１４３１を反転処理（Ｓ１４０２）することで、上層パターンマスク画像１４３２を得る。上層パターンマスク画像１４３２の白い部分１４３３は１、黒い部分１４３４は０とする。この上層パターンマスク画像１４３２により、計測画像１２０２を微分フィルタ処理Ｓ１３５１して得られた画像１４１３をマスク処理（Ｓ１４０４）することで、計測対象であるパターン以外に現れた微分値の高い部分を消去した図１３の画像１３０３に相当する微分画像１４３５を得ることができる。
【００５７】
この後の処理は、図１３に示した彩色処理Ｓ１３５２以降の処理を画像１４２５に施し、彩色処理Ｓ１３５３以降の処理を画像１４５３に施すことで、基準画像１２０１、計測画像１２０２の計測領域以外を０値とした表示画像１３１０、１３１５を得ることができる。この場合、計測領域以外が黒なので、穴パターン８０３や１００３、コンタクトプラグ８０４，１００４などの計測対象部分の画像を明瞭に表示することが可能となる。マスクされる部分は０値に限られるものではなく、別の値、別の色に置き換えても構わない。
【００５８】
図１５に、図１３を用いて説明した表示画像１３１０と１３１５とを重ねた状態を示す。図１３で説明した微分基準画像１３０１における穴パターンの画像１３０２（穴パターンの画像における輪郭線）は、図１５に示した状態において、微分計測画像１３０３の上層パターン１３１３に位置合わせするためのパターン１３１４、および微分計測画像１３０３の下層パターン１３１２に位置合わせするためのパターン１３１１として使用される。このため、微分基準画像１３０１の穴パターンの画像１３０２の代表位置を定めておけば、微分計測画像１３０３の上層パターンと位置合わせしたとき得られる微分規準画像１３０１の穴パターンの代表位置１５０２（図１５に示した例では、パターン１３１４の中心位置）と、微分計測画像１３０３の下層パターンと位置合わせしたとき得られる微分規準画像１３０１の穴パターンの代表位置１５０１（図１５に示した例では、パターン１３１１の中心位置）の変化は、オーバーレイ量そのものとなる。よって、この２点１５０１、１５０２を結んだ図１６に示すようなベクトル表示１６０１は、オーバーレイ計測結果として、そのずれ量と、ずれの方向を表示することができる。
【００５９】
基準画像の穴パターンの代表位置の定め方は、例えば、微分フィルター処理され、マスクされた基準画像の画素値重心が考えられる。また、代表位置としては、画像の部分領域であり、オーバーレイ計測処理を行うために設定される計測ウィンドウの座標に対して相対的に固定された位置としても良い。しかしながら、代表位置はこれらに限定されず、任意に定めて構わない。
【００６０】
図１７は図１３の表示画像１３１０において、微分フィルター処理および彩色処理した微分計測画像の替わりに、計測画像１２０２そのものを重畳したものである。こうすることにより、下層パターンの像１２０２１と下層の像１２０２２とが表示された計測画像１２０２の原画像上で、基準画像１２０１のパターンエッジ１３１１がどの位置に画像合わせされたかを確認することができる。この場合、画像重畳ステップＳ１３５６において重畳する計測画像１２０２は、計測画像原画像の濃淡値をR、G、B値に均等に割り振り、 特定の色の彩度の明度として、微分フィルター処理された基準画像の濃淡値を線形変換、あるいは非線形変換して割り当てればよい。
【００６１】
図１８は図１３の表示画像１３１０において、微分フィルター処理および彩色処理した微分基準画像の替わりに、パターンエッジ１３１１に位置を合せた下層パターンの像１２０１１が表示された基準画像１２０１そのものを重畳したものである。図１３の表示画像１３１５に関しても同様の代替表示方法が可能である。
【００６２】
表示要素の切り替えにより、オーバーレイの計測結果の確認が容易になる。ここで表示要素とは、図１３において、（１）画像位置補正処理（Ｓ１３５４）後の微分基準画像、（２）画像位置補正処理（Ｓ１３５５）後の微分基準画像、（３）彩色処理（Ｓ１３５３）後の微分計測画像、（４）図１６のベクトル表示１６０１、（５）下層パターン位置ずれ量（ΔＬｘ，ΔＬｙ）で位置補正（Ｓ１３５４）した微分基準画像、（６）上層パターン位置ずれ量（ΔＵｘ，ΔＵｙ）で位置補正（Ｓ１３５５）した微分基準画像、（７）計測画像、の７つの表示要素である。これら任意の１つ以上の表示要素を単独、又は重畳、または重畳の組み合わせを逐次変更することにより、オーバーレイの計測結果の確認がより容易になる。例えば、（３）の彩色処理（Ｓ１３５３）後の微分計測画像を常時表示させ、（１）の画像位置補正処理（Ｓ１３５４）後の基準画像の表示、非表示を切り替えながら確認することにより、基準画像の下層パターン９０２が計測画像の下層パターン１１０２に正しく位置合わせされているか否かをより容易に評価可能となる。
【００６３】
以上、下層パターンの位置ずれ量、あるいは上層パターンの位置ずれ量により基準画像の画像位置補正を行い画像の重畳表示を行う方法を説明してきたが、下層パターンの位置ずれ量、あるいは上層パターンの位置ずれ量により計測画像の位置補正を行い画像の重畳表示もできることは明らかである。この場合、下層パターンの位置ずれ量、あるいは上層パターンの位置ずれ量は、基準画像の画像位置補正に作用させる場合と、計測画像の画像位置補正に作用させる場合とでは逆方向になることに注意が要る。
【００６４】
図１２から図１８を用いて説明した、オーバーレイ計測結果の表示方法を、図７で示したオーバーレイ計測装置１０００で実施するための処理の流れを図１９に示す。
【００６５】
まず、基準となるパターンをＳＥＭで撮像して基準画像を取得し、画像処理部７５２の記憶領域に基準画像１２０１として記憶しておく（Ｓ１９０１）。次に、図７に示したオーバーレイ計測装置１０００の走査型電子顕微鏡装置７００に、オーバーレイ計測対象となる回路パターンを有する半導体ウェハ７０７をロードし、ステージ７０６上に載置する（Ｓ１９０２）。半導体ウェハ７０７を載置した後、処理・制御部７５０の全体制御部７５３よりステージコントローラ７５５を通してステージ７０６を制御し、半導体ウェハ７０７上の計測パターンのうちパターンの合わせずれの無い箇所が走査型電子顕微鏡装置７００の電子光学系７１０の観察視野に入るようにステージ７０６を動かす（Ｓ１９０３）。
【００６６】
次に電子光学系制御部７５４により偏向コイル７０４を制御し、電子ビーム７０１により半導体ウェハ７０７上に形成されたオーバーレイの計測対象パターンを含む領域（計測対象領域）を走査する。計測対象領域から発生した２次電子を検出器７０８で検出して得た信号は、Ａ／Ｄコンバータ７０９によりデジタル信号に変換し、撮像画像として画像処理部７１０に入力され、画像処理部７１０のメモリ（図示せず）に記憶する（Ｓ１９０４）。  
続いて、基準画像１２０１と、計測画像１２０２を画像処理部７１０のメモリから読み出し、画像処理部７１０の演算部（図示せず）で、図１２に示した処理フローに従い１２１２に示したオーバーレイ（Δｘ、Δｙ）を計算する（Ｓ１９０５）。計算処理終了後、図１２の１２１０に示した上層パターン位置ずれ量（ΔUｘ、ΔUｙ）、１２１１に示した下層パターン位置ずれ量（ΔLｘ、ΔLｙ）、１２１２に示したオーバーレイ量（Δｘ、Δｙ）を画像処理部７１０のメモリに記憶する。
【００６７】
結果の表示においては、画像処理部７１０のメモリに記憶されている、基準画像１２０１、計測画像１２０２、上層パターン位置ずれ量１２１０、下層パターン位置ずれ量１２１１を読み出し、画像処理部７１０の演算部で、図１３に示した処理フローを実行し、表示画像１３１０、及び表示画像１３１５を算出し、画像処理部７１０のメモリに記憶する（Ｓ１９０６）。算出した表示画像１３１０、及び表示画像１３１５は画像処理部７１０から全体制御部７１３に出力され、全体制御部７１３は表示画像１３１０、若しくは表示画像１３１５を表示端末７１４に表示する（Ｓ１９０７）。Ｓ１９０３からＳ１９０７までを、全計測点数分実行する。
【００６８】
表示端末７１４に計測領域のみ部分的に表示するためには、図１２に示した処理フロー実行時に、更に上層パターン基準画像１２０４、上層パターン計測画像１２０５を画像処理部７１０のメモリに記憶しておく。結果の表示においては、画像処理部７１０のメモリに記憶されている、基準画像１２０１、計測画像１２０２、上層パターン基準画像１２０４、上層パターン計測画像１２０５、上層パターン位置ずれ量１２１０、下層パターン位置ずれ量１２１１を読み出す。画像処理部７１０の演算部で、この読み出した情報を用いて図１３および、図１４に示した処理フローを実行し、表示画像１３１０、若しくは表示画像１３１５を算出し、画像処理部７１０のメモリに記憶する。算出した表示画像１３１０、若しくは表示画像１３１５は、画像処理部７１０から全体制御部７１３に出力され、全体制御部７１３は表示画像１３１０、若しくは表示画像１３１５を表示端末７１４に表示する。
【００６９】
図１６に示したベクトル表示については、基準画像の穴パターンの代表位置は、前述の代表位置を画像処理部７１０の演算部で算出し、基準画像に対応させて画像処理部７１０のメモリに記憶しておく。オーバーレイ計測時に、画像処理部７１０のメモリに記憶されている、前述のオーバーレイ量（ΔΔｘ、Δｙ）と基準画像の代表位置を、全体制御部７１３が読み出し、代表位置を視点としたオーバーレイ量のベクトル表示を全体制御部７１３の演算部（図示せず）で生成し、全体制御部７１３のメモリ（図示せず）に記憶するとともに、表示端末７１４に表示する。
【００７０】
なお、上記実施例では、基準画像を事前に収録するとしたが、計測対象とする半導体ウェハから毎回取得するようにしてもよい。
【００７１】
図２０に表示端末７１４での表示の具体例を示す。ＩＤ２００１は基準画像２００３、計測画像２００４、計測結果画像２００５の識別番号であり、ウェハ上のオーバーレイ計測箇所に対応するものである。２００２はオーバーレイの計測結果を数値で示すものである。図２０では計測結果画像２００５とともに、基準画像２００３、計測画像２００４も表示しているが、必要なければ両方とも、あるいは片方を表示しなくてもよい。計測結果表示切替２００６により、計測結果画像２００５の表示内容を切り替える。計測結果表示切替２００６には「画像比較結果」、「ベクトル表示」、「基準画像」、「計測画像」、「基準画像マスク」、「計測画像マスク」の各項目の横にスイッチがあり、黒丸は選択されていることを、白丸は選択されていないことを示している。選択、非選択の切り替えは、例えば画面上のクリックにより行う。以下、計測結果表示切替２００６に表示している各項目について説明する。
【００７２】
項目「画像比較結果」では、上層が選択された場合は、１２１０の上層パターン位置ずれ量に基づき、基準画像を位置補正し計測画像に重畳して計測結果画像２００５として表示し、下層が選択された場合は、１２１１の下層パターン位置ずれ量に基づき、基準画像を位置補正し計測画像に重畳して計測結果画像２００５として表示するものであり、上層、あるいは下層、あるいは上層と下層の両方を選択できる。上層のみを選択したときの表示例が表示画像１３１５を、下層のみを選択したときの表示例が表示画像１３１０である。
【００７３】
項目「ベクトル表示」は、図１６に示したベクトル表示を計測結果画像２００５に重畳するか否かを選択する項目である。
【００７４】
項目「基準画像」は、計測結果画像２００５に重畳する基準画像を、原画像あるいは彩色したエッジフィルター像にするかを選択する項目であり、両方とも選択しない場合は基準画像は計測結果画像２００５に重畳されない。
【００７５】
項目「計測画像」は、計測結果画像２００５に重畳する計測画像を、原画像あるいは彩色したエッジフィルター像にするかを選択する項目であり、両方とも選択しない場合は計測画像は計測結果画像２００５に重畳されない。
【００７６】
項目「基準画像マスク」は、計測結果画像２００５に重畳する基準画像を、上層パターン基準画像１２０４によりマスクするか否かを選択する項目である。
【００７７】
項目「計測画像マスク」は、計測結果画像２００５に重畳する計測画像を、上層パターン計測画像１２０４によりマスクするか否かを選択する項目である。
【００７８】
以上の計測結果表示切替の入力に応じて、全体制御部７１３は画像処理部７１０のメモリ、あるいは全体制御部７１３のメモリに記憶されている情報を読み出し、計測結果画像２００５の表示内容を更新し、表示端末７１４に出力する。
【００７９】
以上説明したように、本実施例によれば、ＳＥＭ画像を用いた、基準画像と計測画像の比較による半導体デバイスの製品回路を用いたオーバーレイ計測において、得られたオーバーレイ量に応じて基準画像あるいは計測画像をずらして重畳表示したとき、重畳表示の視認性の向上が可能となる。
【符号の説明】
【００８０】
７００・・・走査型電子顕微鏡装置    ７０１・・・電子ビーム    ７０２・・・電子銃    ７０３・・・コンデンサレンズ    ７０４・・・偏向コイル    ７０５・・・対物レンズ    ７０６・・・ステージ    ７０７・・・ウェハ    ７０８・・・検出器    ７５０・・・処理・制御部    ７５１・・・Ａ／Ｄコンバータ    ７５２・・・画像処理部    ７５３・・・全体制御部    ７５４・・・電子光学系制御部    ７５５・・・ステージコントローラ    ７５６・・・表示端末        １０００・・・オーバーレイ計測装置。
【図１】
2016058637.tif 000003
【図２】
2016058637.tif 000004
【図３】
2016058637.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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