JPH09283581A - 重ね合わせ誤差の測定方法 - Google Patents

重ね合わせ誤差の測定方法

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JPH09283581A
JPH09283581A JP8094508A JP9450896A JPH09283581A JP H09283581 A JPH09283581 A JP H09283581A JP 8094508 A JP8094508 A JP 8094508A JP 9450896 A JP9450896 A JP 9450896A JP H09283581 A JPH09283581 A JP H09283581A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子の製造工程において、回路パター
ンの重ね合わせ誤差を正確且つ再現性良く測定する前提
となる、測定用マークの各エッジに対応する測定範囲を
決定する方法を提供する。 【解決手段】 半導体ウェハ上に重ね合わせて形成され
た2つの大きさの異なる四角形の測定用マークの顕微鏡
像を撮影し、デジタル画像に変換し、画像処理を行い、
その測定用マークの各エッジの位置を決定し、測定用マ
ークの重ね合わせ誤差を測定する方法において、その測
定用マークの画像の各エッジについて、xy直交座標に
おけるx方向及びy方向の最大相互相関係数を算出する
ことによって、各エッジを自動的に認識し、各エッジに
対応する測定範囲を自動的に決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路製
造のフォトリソグラフィ工程において、半導体ウェハ上
に形成された工程毎の回路パターンの重ね合わせ精度を
検査する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化に伴い、素
子製造のフォトリソグラフィ工程ではその工程毎の回路
パターン同士を精度良く重ね合わせる必要性が増しつつ
ある。そのためには、回路パターンとは別に重ね合わせ
誤差を測定するための測定用マークをウェハ上に設け、
例えば、第1の工程で作られた四角形の測定用マーク
(以下、第1ボックスマークという)と第1ボックスマ
ークより小さめの第2の工程で作られた四角形の測定用
マーク(以下、第2ボックスマークという)との2つの
ボックスマークの顕微鏡像の重ね合わせ誤差を測定して
いる。重ね合わせ誤差すなわち2つのボックスマークの
中心間距離の値が、許容範囲内にある場合はその半導体
ウェハを良品として次工程に投入し、許容範囲を越えて
いる場合は不良品として製造工程から除外していた。
【0003】従来、この重ね合わせ誤差の測定には、重
ね合わせ測定機が用いられており、バーニアマークの顕
微鏡像をオペレータの眼で観察し、その顕微鏡像により
目視にて重ね合わせ誤差を測定するマニュアル式と、受
光素子を用いて2つのボックスマークのエッジ付近の正
反射光強度の差を捉え、画像処理によってエッジ位置を
自動的に認識して該中心間距離を自動測定する方式とが
あった。エッジ位置を決定するには、先ず各エッジの周
辺に、図2の斜線部で表示するような測定範囲を決め、
その測定範囲に基づいて各エッジの正確な位置を検出す
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来の方法にお
いて、マニュアル式の場合は、バーニアマークの顕微鏡
像の目盛りの認識には、オペレータにより或いは顕微鏡
像の見え方により、差異が生じ易いために、測定が不正
確になっていた。一方、自動測定方式の場合は、エッジ
が鋭角でないときには特に正反射光のコントラストが弱
く、画像処理を行ってもエッジを正確に認識し難いため
に、適正な測定範囲を決める際に支障があり、結果的
に、2つのボックスマークの中心間距離の測定が不正確
になる恐れがあった。この自動測定方式においてマニュ
アルで測定範囲を決めるためには、オペレータにはある
程度の経験と熟練を要するが、それでも測定範囲の再現
性が良くなかったり、ボックスマークの相対するエッジ
の測定範囲が非対称になったりする不都合が生じてい
た。
【0005】そこで本発明は、自動測定方式において、
エッジからの正反射光のコントラストが弱くともボック
スマーク像のエッジを認識し、測定範囲を決めるための
方法を提供することを目的とする。これにより、最終的
に、正確且つ再現性の良い重ね合わせ誤差の測定が可能
となる。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の請求項1に記載の発明は、半導体ウェハ
上に重ね合わせて形成された大きさの異なる2つの四角
形の測定用マークを顕微鏡で観察し、前記測定用マーク
の顕微鏡像を撮影し、デジタル画像に変換し、画像処理
を行い、前記測定用マークの各エッジの位置を決定し、
前記測定用マークの重ね合わせ誤差を測定する方法にお
いて、前記測定用マークの画像の各エッジについて、x
y直交座標におけるx方向及びy方向の最大相互相関係
数を算出することによって前記各エッジを自動認識し、
各エッジに対応する測定範囲を自動的に決定することを
特徴とするものである。
【0007】
【発明の実施の形態】図4は、本発明の実施態様に係る
重ね合わせ誤差測定に用いられる重ね合わせ測定機の主
要部分の概略構成を示す図である。図4は、測定用ステ
ージ3、顕微鏡4、画像処理部5、システム制御部6、
ステージ駆動制御部7、焦点位置検出部8及び光源部9
から成る。さらに、測定用ステージ3は、ウェハ10を
載置してX方向及びY方向(図中、紙面に垂直な方向)
に直線移動可能なXYステージ3a、Z方向に直線移動
可能なZステージ3b及びZ軸廻りに回転可能なθステ
ージ3cとから成る。画像処理部5は、ボックスマーク
の顕微鏡像を撮影するCCDカメラ5aと、その顕微鏡
像をデジタル画像に変換するA/D変換器5bと、その
デジタル画像を処理する画像処理装置5cとから成る。
画像処理装置5cにより処理された画像データは、例え
ばLANによってシステム制御部6に転送される。ステ
ージ駆動制御部7は、XYステージ3aの移動制御を行
うXY駆動制御部7a、Zステージ3bの移動制御を行
うZ駆動制御部7b及びθステージ3cの回転制御を行
うθ駆動制御部7cから成る。XY駆動制御部7a及び
θ駆動制御部7cは、システム制御部6からの指令によ
り、それぞれXYステージ3aの移動制御及びθステー
ジ3cの回転制御を行う。焦点位置検出部8は、検出値
をZ駆動制御部7bに送り、Zステージ3bのZ方向の
移動制御すなわち焦点調整を行う。又、光源部9から発
する光は、半透過鏡11、12及び顕微鏡4を通してウ
ェハ10を照明し、ウェハ10からの反射光は、顕微鏡
4、半透過鏡12、11を順次通過して、CCDカメラ
5aにより画像として撮影される。光源部9の光源に
は、例えばメタルハライドランプが用いられる。
【0008】次に、本発明の重ね合わせ誤差測定の手順
を説明する。ウェハ10は、不図示の非接触プリアライ
メント部により偏心量算出と回転補正がなされた後に測
定用ステージ3の上に載置される。ウェハ10は、顕微
鏡4の視野中心にボックスマークが位置するように、測
定用ステージ3のXYステージ3aによりXY方向に動
かされ、焦点を合わせるためにZ方向に動かされる。ウ
ェハ10は、ウェハ上の予め登録された2点のボックス
マークを用いて、いわゆるグローバルアライメントを行
い、θステージ3cによりウェハ10の精密な回転補正
を行う。これによりボックスマークのエッジはXYステ
ージ3aのX、Y方向に平行となる。
【0009】ボックスマークの顕微鏡像はCCDカメラ
5aで撮影され、A/D変換機5bでデジタル化された
後に、画像処理装置5cの記憶媒体に記憶される。この
画像データは、画像処理装置5cからシステム制御部6
に転送され、以下に述べるシーケンスに従って演算処理
を行う。図1は、本発明の実施態様に係る重ね合わせ誤
差測定における測定範囲を自動的に決定するための手順
を示すフローチャートである。
【0010】S01において、図2に示すボックスマー
ク1及び2のデジタル化された像がシステム制御部6か
ら読み出される。ボックスマーク1の中心がxy座標の
原点となるように位置合わせが行われ、x、y軸は各
々、XYステージ3aのX、Y方向に平行となる。S0
2において、図4に示すx=0のラインプロファイルと
x≠0のうちの1本のラインプロファイルとの相互相関
係数M(τ)が次式により計算される。次式は、x=0
のベクトルをR、x≠0のベクトルをSとすると次のよ
うに書ける。なお、添字τは、x≠0のx=0に対する
ズレ量である。
【0011】
【数1】
【0012】x≠0の1本のラインについて、相互相関
係数のうち最大値を最大相互相関係数とする。但し、相
互相関係数M(τ)<0のときは総てM(τ)=0とみ
なす。x≠0のライン毎に最大相互相関係数が算出さ
れ、各xラインについて最大相互相関係数値がプロット
される。S03において、最大相互相関係数値のヒスト
グラムが作成される。一般に、画像にはノイズが含まれ
るので、ノイズ除去のためにこの処理を行う。
【0013】S04において、上記ヒストグラムから最
大相互相関係数が同一として扱えるレベルを取り出す
と、図3に示すグラフが得られる。図3は、各xライン
について規格化された最大相互相関係数を示す。すなわ
ち、x=0からx方向にグラフを辿ってゆくと、図2に
示すボックスマーク1及び2の画像の両者の内側にある
間は、最大相互相関係数は高い同一のレベルをとり、ボ
ックスマーク2のエッジで最大相互相関係数は急激に変
化し、ボックスマーク2の外側に到ると、最大相互相関
係数は一段低くなり同一のレベルをとる。さらに、ボッ
クスマーク1のエッジで最大相互相関係数は急激に変化
して零となり、ボックスマーク1の外側でも零のレベル
を維持する。
【0014】S05において、図3のグラフからボック
スマークのエッジが認識される。すなわち、最大相互相
関係数が急激に変化する部分がエッジに対応する。S0
6において、図3のグラフの中心すなわちx=0を基準
にほぼ対称となる位置に存在するエッジの対が認識さ
れ、エッジ位置が確定される。すなわち、図2に示す第
1ボックスマーク1のエッジ1a,1bに対応する値が
各々A1,B1、第2ボックスマーク2のエッジ2a,
2bに対応する値が各々A2,B2である。
【0015】S07において、各エッジについて測定範
囲が自動的に決定される。この測定範囲は、例えば、エ
ッジの急峻性や直線性及びエッジ周辺の状況に応じて適
切な広さに定められる。測定範囲が広い方がエッジ位置
の再現性は向上するが、確率的にノイズは増加するの
で、適切な広さを選ぶ必要がある。以上のS01からS
07までの各動作はyラインについても同様に行われ、
最終的に、図2に示すように、ボックスマーク1及び2
の全エッジに対応する測定範囲(図2の中、斜線部で表
示)が決定される。
【0016】この後、上述の測定範囲に基づいてボック
スマーク1及び2の全エッジの位置が正確に検出され、
それにより重ね合わせ誤差量の測定が以下の手順で行わ
れる。先ず、2つのボックスマークのエッジ位置が測定
され、次に、2つのボックスマークのx方向の中点位置
が算出され、その中点間距離がx方向の重ね合わせ誤差
量Δxとなる。同様に、y方向についても、重ね合わせ
誤差量Δyが求められる。従って、ΔxとΔyから2つ
のボックスマークの重ね合わせ誤差量が得られる。
【0017】
【発明の効果】以上のとおり本発明によれば、重ね合わ
せ誤差量を測定するために設けられたボックスマークの
エッジが正確に自動認識でき、エッジ毎の測定範囲が自
動的に決定できるので、エッジのプロフィールが不鮮明
であっても適正な測定範囲が得られる。又、オペレータ
ーに熟練を必要としなくなる。その結果、x方向の重ね
合わせ誤差量Δx、y方向の重ね合わせ誤差量Δy及び
2つのボックスマークの重ね合わせ誤差量が高精度且つ
再現性良く測定できる。
【0018】さらに、ボックスマークのエッジとXYス
テージの移動方向とが多少合致していない場合でも相関
演算によりエッジ位置を認識しているので、適正な測定
範囲が決定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る測定範囲を決定する
ための手順を示すフローチャート。
【図2】本発明の実施の形態に係る2つのボックスマー
クと測定範囲を示す概念図。
【図3】本発明の実施の形態に係るxライン方向の規格
化された最大相互相関係数の変化を示すグラフ。
【図4】本発明の実施の形態に係る重ね合わせ誤差測定
のための重ね合わせ測定機の主要部分の概略構成図。
【符号の説明】
1 ・・・第1の工程で作られたボックスマーク 2 ・・・第2の工程で作られたボックスマーク 3 ・・・測定用ステージ 4 ・・・顕微鏡 5 ・・・画像処理部 5a ・・・CCDカメラ 5b ・・・A/D変換器 5c ・・・画像処理装置 6 ・・・システム制御部 7 ・・・ステージ駆動制御部 8 ・・・焦点位置検出部 9 ・・・光源部 10 ・・・ウェハ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体ウェハ上に重ね合わせて形成され
    た2つの大きさの異なる四角形の測定用マークを顕微鏡
    で観察し、前記測定用マークの顕微鏡像を撮影し、デジ
    タル画像に変換し、画像処理を行い、前記測定用マーク
    の各エッジの位置を決定し、前記測定用マークの重ね合
    わせ誤差を測定する方法において、 前記測定用マークの画像の各エッジについて、xy直交
    座標におけるx方向及びy方向の最大相互相関係数を算
    出することによって前記各エッジを自動的に認識し、各
    エッジに対応する測定範囲を自動的に決定することを特
    徴とする、重ね合わせ誤差の測定方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6801313B1 (en) 1999-07-28 2004-10-05 Nec Electronics Corporation Overlay mark, method of measuring overlay accuracy, method of making alignment and semiconductor device therewith
JP2007232677A (ja) * 2006-03-03 2007-09-13 Omron Corp 測定位置指定方法およびこれを実行する寸法計測装置
CN110360925A (zh) * 2018-04-10 2019-10-22 中国科学院物理研究所 用于磁镊装置的磁球坐标的校准方法和校准装置

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