(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上の構造要素のエッジの、基体平面に対し位置固定して割り当てられたｘ／y座標系の原点に対する距離Ｐを決定する方法であって、
−行と列を成している画素がｘ／y座標系の軸に平行に指向している検出器アレイ上に、基体平面に対し光軸が垂直な結像系により構造要素を結像させ、
−基体がｘ／y方向に変位可能な測定テーブル上に支持されており、検出器の検出領域において検出器に位置固定されている参照点に対する相対変位を干渉法により測定し、
−測定窓内にある画素からエッジ方向に対し垂直に導出されるエッジ像の強度プロフィールにより、検出器アレイ上の参照点に対するエッジの距離ＰIPCを決定する前記方法において、
矩形の測定窓（１７）を生じさせて、その短いほうの境界線（１８）をエッジ方向に対し平行に指向させ、検出器アレイ（１３）の座標系において前記エッジ方向に対し垂直に位置している測定窓（１７）の長いほうの境界線（１９）の方向をその回転角θにより決定し、測定窓（１７）の両境界線（１８,１９）が検出器アレイ（１３）の行と列に対し直交していない場合には、行と列を成しているフィールド（２０）が測定窓（１７）の両境界線（１８,１９）に対し平行に位置するような合成アレイを形成させ、それぞれ１つのフィールド（２０）によって覆われる検出器アレイ（１３）の画素（２１）の強度を重み付け評価することにより決定される強度値をフィールド（２０）に割り当て、フィールド（２０）に割り当てられた強度値から、エッジと参照点（１４）との距離によりエッジの前記距離ＰIPCを決定し、基体（１２）の座標系におけるエッジの前記距離Ｐが、回転角θ、距離ＰIPC、基体（１２）の座標系における参照点（１４）の位置ｘ,yに依存して、
Ｐ＝ＰIPC＋Ｌ，Ｌ＝ｘｃｏｓθ＋ｙｓｉｎθにより与えられていることを特徴とする方法。
【請求項２】
エッジ方向に対して平行に測定窓（１７）の短いほうの境界線（１８）の方向を自動調整するため、測定窓（１７）をエッジ方向に対し垂直に２分割して２つの部分窓を形成させ、それぞれの部分窓において、エッジ位置を定義する測定情報を検出し、両部分窓から同じ測定情報が得られるまで測定窓（１７）を回転させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
フィールド（２０）の大きさを前記回転角θの大きさに適合させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提概念に記載の、基体上の構造要素のエッジの距離Ｐを決定する方法に関するものである。
【０００２】
この種の公知の方法を実施するために適した測定器は、たとえば１９９８年３月３１日にEducation Programm der Semicon Genfで発行されたDr.Carola Blaesing著"Pattern Placement Metrology for Mask Making"に記載されている。
【０００３】
測定対象である構造要素は、特に、半導体の製造に使用されるウェーハーまたはレチクル上のマスク表面または構造物の不透明な領域または透明な領域である。測定されるのは、マスク上に定義された座標系における構造要素のエッジの位置である。マスクは、測定器内で測定面内を変位可能な測定テーブル上に支持される。測定テーブルは、干渉法により測定可能であるように参照点に対して相対的に変位可能であり、この場合マスク座標系の位置は位置合わせマークを介して測定器座標系に対し相対的に調整される。参照点としては通常、結像系の光軸とマスクとの衝合点が用いられる。
【０００４】
測定される構造領域は、測定テーブルを適当に変位させた後、結像系によりＣＣＤカメラの検出器アレイに拡大して結合される。検出器アレイの画素は行と列を成して、マスク座標系の方向調整された軸線に平行に配置されている。通常、測定される構造要素のエッジも同様にマスク座標系の軸線に対し平行または垂直に調整され、したがって検出器アレイの行と列に対しても平行または垂直に調整されている。検出器アレイによって受信された構造要素の像を評価して得られるエッジ位置は、エッジが参照点に対し相対的に位置している補間した画素行または画素列により記載される。一般に検出器アレイは、その中心が結像系の光軸上にあり、したがってこの中心が参照点として用いられるように方向を調整される。
【０００５】
構造要素の像の評価は、像分析法を用いて行なわれる。ソフトウェアにより生成した矩形の測定窓を用いてアレイの特定の領域が測定用に選定される。測定窓は、構造要素の被測定像の一部分上に設定される。結像系の解像度と結像特性のためにエッジ像のコントラストは強い。最良のコントラストはＴＶオートフォーカスシステムを用いて設定される。１つの測定窓の内部にあってそれぞれの行または列において構造要素のエッジに対し平行に位置している画素の強度から平均値が形成される。エッジに対して垂直な方向では、この平均値からエッジ像の強度プロフィールと画素行または画素列との関係が得られる。エッジの位置は前記強度プロフィールの５０％値によって定義される。
【０００６】
測定される構造要素には種々の幅と長さのものがある。１つの構造要素のマスク上での位置を表示するため、互いに平行なエッジの位置を測定し、２つのエッジの中心線を位置として表示することが多い。検出器アレイによって形成される測定フィールドの内側で幅単位および長さ単位で測定可能な構造要素の場合、或いは２つの構造要素が交差している場合には、２つの中心線の交点の座標により位置が表示される。
【０００７】
半導体回路を設計する場合、マスク座標系に対し平行または垂直でない複数個の構造要素を使用する傾向が多くなってきている。この非直交構造要素の、検出器アレイに生じる像は、画素の行および列に対し平行または垂直でない。
【０００８】
ＣＣＤカメラまたは測定テーブルを回転させることにより、これら構造要素を画素の行および列に対し直交するように指向させることができる。回転角は測定できるので、エッジの位置または構造要素の位置が非回転座標系に換算され、したがって同じ評価方法に従って測定器を直交構造要素と非直交構造要素とに使用でき、測定値を比較可能な表示で出力させることができる。
【０００９】
この方法の欠点は機械的構成が複雑なことで、ＣＣＤカメラまたは測定テーブルを回転させる際に精密な支持が必要である。また、回転操作自体とエッジの方向調整に付加的な時間を要し、測定の実行時間が長くなる。構造密度が増大し、しかも測定により検査されるべき構造要素の数量が増えるにしたがって、実行時間はますます重要性を帯びてくる。
【００１０】
したがって本発明の課題は、任意の方向に指向した構造要素に適用可能で、測定フィールド内側での測定過程において機械的変更をせずに済むような方法を提供することである。
【００１１】
この課題は、冒頭で述べた種類の方法において、本発明によれば、矩形の測定窓を生じさせて、その短いほうの境界線をエッジ方向に対し平行に指向させ、検出器アレイの座標系においてエッジ方向に対し垂直に位置している測定窓の長いほうの境界線の方向をその回転角θにより決定し、測定窓の両境界線が検出器アレイの行と列に対し直交していない場合には、行と列を成しているフィールドが測定窓の両境界線に対し平行に位置するような合成アレイを形成させ、それぞれ１つのフィールドによって覆われる検出器アレイの画素の強度を重み付け評価することにより決定される強度値をフィールドに割り当て、フィールドに割り当てられた強度値から、エッジと参照点との距離によりエッジの前記距離ＰIPCを決定し、基体の座標系におけるエッジの距離Ｐが、回転角θ、距離ＰIPC、基体の座標系における参照点の位置ｘ,yに依存して、Ｐ＝ＰIPC＋Ｌ，Ｌ＝ｘｃｏｓθ＋ｙｓｉｎθにより与えられていることによって解決される。
【００１２】
エッジ方向に対して平行に測定窓の短いほうの境界線の方向を自動調整するため、測定窓をエッジ方向に対し垂直に２分割して２つの部分窓を形成させ、それぞれの部分窓において、エッジ位置を定義する測定情報を検出し、両部分窓から同じ測定情報が得られるまで測定窓を回転させる。合成フィールドの大きさを前記回転角θの大きさに適合させるのが合目的である。
【００１３】
本発明による方法は、公知の測定器が生成する測定情報と同じ測定情報から出発している。矩形の測定窓の内側でエッジの位置を画素強度から導出するという基本的な測定原理が維持される。したがって本発明による方法には、既存の測定器に適用できるという利点がある。
【００１４】
測定フィールドの所定の座標系においてソフトウェアにより生成される測定窓の回転角は高精度で算出され、測定値を表示する際に付加的なパラメータとして使用される。このパラメータは、直交構造要素に対する公知の方法においてはすでに暗黙に得られるものであり、公知の方法ではｘ軸と９０゜をなし、y軸と０゜を成す。これは、非直交構造要素に拡大される方法と従来使用されている方法との結合を容易にする。
【００１５】
選定した測定窓によって覆われる実際の画素（リアルピクセル）の強度測定値を、測定窓の境界部に対し直交する合成画素アレイに転用することは大きな進歩である。合成画素（フィールド）に割り当てられる強度値は、覆われている実際の画素を重み付け評価することにより生じる。これにより、測定窓の座標系内部で公知の画像分析方法を用いて構造要素のエッジの位置を決定することができる。検出されたエッジは、数学的には測定窓の回転座標系における直線であるので、測定窓の回転角から座標変換によりエッジと実際の検出器アレイの測定フィールド内にある参照点との距離を決定することができる。参照点としては、検出器アレイにより形成される測定フィールドの中心を通る測定システムの光軸が選定される。
【００１６】
マスク座標系内での位置は、この座標系の原点に対する参照点の距離を付加的に求めることで得られる。この距離が実際の測定テーブル座標と測定窓の回転角とに依存していることは明白である。したがってエッジの位置は、マスク座標系の原点までの直線の距離と、この直線が座標系の軸と成す角度とにより定義されている。
【００１７】
したがって、任意の角度で交差している２つの構造要素の位置を、これらの構造要素に割り当てられた直線の交点によって定義でき、決定することができる。同様のことは、任意の方向に設定され幅単位と長さ単位で測定可能な構造要素の位置に対しても適用される。
【００１８】
次に本発明による方法を、図示した実施形態を用いて詳細に説明する。
図１は第１の構造パターン（ａ）を示している。この構造パターン(ａ)は互いに垂直な２つの構造要素１,２から構成されている。それぞれの構造要素には、これら構造要素１,２のそれぞれのエッジ５,５’および６,６’を決定（測定）する測定窓３,４が設定されている。エッジの差５−５’および６−６’から構造要素１,２の幅７,８が得られる。構造要素１,２の中心線９,１０は通常どおりこれら構造要素の位置を決定するために用いられ、交点１１は構造パターン（ａ）の位置を決定するために用いられる。
【００１９】
第２の構造パターン(ｂ)は、前記構造パターン（ａ）に比べて交点１１の周りに回転している。両構造パターン（ａ）と（ｂ）を同じ直交座標系で表示すると、構造パターン(ｂ)は非直交と呼ばれる。
【００２０】
次に図２を用いて、不透明構造要素としてマスク１２上に取り付けられた直交構造要素１の位置を決定するための通常の方法について説明する。マスク１２は図示していない測定テーブル上にある。マスク座標系ｘ,ｙは測定テーブル座標系に対して方向を調整されている。実際の測定域は、ＣＣＤカメラの検出器アレイ１３によって表わされる。測定域内の参照点１４として検出器アレイ１３の中心が用いられる。この中心は図示していない結像系の光軸上にある。検出器アレイ１３の画素（ここには図示せず）は、行と列を成してマスク座標系に対し平行に指向している。
【００２１】
測定窓３内で検出した強度プロフィール１５は、図式的には台形状の変化を示す。エッジ位置として、強度プロフィール１５のエッジの５０％の値を定義する。左側のエッジは、参照点１４から垂直方向に間隔ＸIPC（ＩＰＣ＝Image Processing Coordinate）を有している。参照点１４とマスク座標系のｙ軸との垂直方向の間隔をＸstage（stage=測定テーブル）とする。同じようにして構造要素１の上側のエッジおよび下側のエッジの座標を検出することができる。したがって一般に１つのエッジの位置は、
【００２２】
ＰX＝ＸIPC＋Ｘstage
ＰY＝ＹIPC＋Ｙstage
により与えられている。
【００２３】
すなわち直交構造要素の場合これは、マスク座標系のｘ軸またはｙ軸に垂直なベクトルであり、その長さはエッジと付属の座標軸との垂直方向の間隔に等しい。
図３は、これらの測定から直交構造パターン１,２の位置１１をいかに検出するかを示すものである。位置１１は中心線９,１０の交点１１の座標によって定義され、すなわちパターン座標系の原点（０,０）から交点１１へ向かうベクトルによって定義される。このベクトルは、互いに垂直な前記２つのベクトル成分Ｐx，Ｐyから構成される。
【００２４】
図４には、部分的に図示した検出器アレイ１３のｘ方向に対して長手方向が角度（９０−θ）を成すような構造要素１６が図示されている。長いエッジの位置を測定するために構造要素１６を横切るように横方向に設置されている測定窓１７は、その短いほうの境界線１８がエッジ延在方向に対して平行になるように指向している。この指向調整は測定器の操作者自身が行うことができるが、測定器に対するジョブ定義により自動的に行なってもよい。以下に、この指向調整を自動的に最適化する方法について述べる。図４において長いほうの境界線１９は、検出器アレイ１３のｘ方向と角度θを成している。
【００２５】
測定窓１７の内部にはフィールド２０が形成され、その行または列はそれぞれ測定窓１７の短いほうの境界線１８または長いほうの境界線１９に平行に延びている。フィールド２０はそれぞれ、構造要素１６の外側の領域からわかるように、検出器アレイ１３の画素２１のいくつかを部分的に覆っている。図をわかりやすくするため、構造要素１６によって覆われる画素２１は図示していない。画素２１がフィールド２０によって覆われている割合を決定すれば、それぞれの画素２１の測定強度を重み付けすることができる。重み付けされた強度値の総和はそれぞれのフィールド２０に割り当てられる。
【００２６】
フィールド２０は通常画素２１と同じ大きさを持っていない。合目的には、たとえば測定窓の長いほうの境界線１９の方向でのフィールド２０の幅、すなわち測定されるべきエッジに平行な方向での幅を、角度θの大きさに適合させるのがよい。これにより、覆われる画素２１の数量を減少させることができ、考慮されるべき強度成分を正確に決定することができる。１つの列においてエッジ方向に平行なフィールドの平均値から強度プロフィール２２が形成される。この強度プロフィール２２と測定窓１７との関係を別個に引き出してグラフで示した。５０％の値２３は、測定窓１７の短いほうの境界線１８に対するエッジの相対位置を示している。
【００２７】
構造要素１６のエッジ方向に平行に測定窓１７の短いほうの境界線１８を指向調整する作業を自動的に最適化するため、測定窓をエッジ方向に対して垂直に２分割してもよい。部分窓のそれぞれにおいて、エッジの位置を決定する測定情報が検出される。これは強度プロフィールの推移、或いはたとえば検出したエッジ位置でもよい。測定窓は両部分から同じ測定情報が得られるまで回転され、たとえば両部分窓において同じエッジ位置、或いは差が小さなそれぞれのエッジ位置が得られるまで回転される。
【００２８】
測定窓１７に向いているベクトル２４は、エッジ検出方向に平行に延び且つ検出器アレイ１３上の図示していない参照点１４を通る直線上にある。したがってベクトル２４の長さは、前記直線に対する測定窓１７の短いほうの境界線１８の垂直距離に相当している。測定窓１７内部での構造要素１６のエッジの位置に関する特性曲線を用いて、エッジと参照点との距離を決定することができる。
【００２９】
図５は、非直交構造要素１６の位置決定に必要な、マスク座標系ｘ,yにおけるいくつかの決定量を示したものである。構造要素１６の測定エッジは検出器アレイ１３の参照点１４から垂直距離ＰIPCの位置にある。マスク座標系の原点（０,０）を通りエッジ方向に平行に延びている直線に対する参照点１４の垂直距離を表わすベクトルＬは、ｘ軸に対して角度θを成している。このとき非直交構造要素１６の図示したエッジの位置Ｐは、
【００３０】
Ｐ＝ＰIPC＋Ｌ，  Ｌ＝ｘｃｏｓθ＋ｙｓｉｎθ
によって与えられる。θ＝０゜であれば、ｘ軸に直交する構造要素１が得られ、θ＝９０゜であれば図３に示すようなｘ軸に平行な構造要素２の位置が得られる。したがって、直交構造要素に対してすでに採用した、エッジの位置Ｐに対する表示を共用できる。
【００３１】
図６は、直交構造要素１と非直交構造要素１６から構成されている構造要素の位置を提示するためのいくつかの決定量を示している。この場合も、構造要素１,１６のそれぞれの２つのエッジの位置から中心線９,２５を決定することができる。座標原点からこれら中心線の交点２７へ向かうベクトル２６は、ｘ,y座標系における構造要素の位置を表わしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  直交構造要素と非直交構造要素の一例を示す図である。
【図２】  直交構造要素の位置を定義する方法を説明する図である。
【図３】  １つの構造要素の位置を決定する方法を説明する図である。
【図４】  非直交構造要素におけるエッジ測定を説明する図である。
【図５】  非直交構造要素の位置を定義する方法を説明する図である。
【図６】  任意の方向に設定された構造要素の位置を定義する方法を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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