JP2004179221A

JP2004179221A - Superposition inspecting device and superposition inspection method

Info

Publication number: JP2004179221A
Application number: JP2002340651A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Abe; 啓之阿部; Hideo Takahashi; 秀夫高橋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-25
Also published as: JP4096715B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To inspect the superposed status of an underlying pattern and a resist pattern highly accurately under a condition that the underlying mark is covered by a material film. SOLUTION: The superposition inspecting device is provided with means 16-17 for outputting signals with respect to images in a mark region by photographing the images of the mark region, wherein a first mark formed on a first layer and a second mark formed on a second layer are positioned, a position detecting means 19 for a false mark floated on the surface of the material film so as to cope with the position of the second mark and the first mark based on the position of an edge developed in the image of the mark region, means 19, 20 for estimating the deviated amount of positions between the false mark and the first mark, and a means 20 for operating the deviated amount of superposition between the first mark and the second mark based on the position of the mark region in a shot region. COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や液晶表示素子の製造工程において、基板の上に形成された複数のパターンの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク（レチクル）に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより（加工工程）、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パターンが転写される（パターン形成工程）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成される。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている。この検査は、１つ前のパターン形成工程で形成された回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査である。
【０００５】
重ね合わせ検査においては、通常、下地パターンの基準位置を示す下地マークと、レジストパターンの基準位置を示すレジストマークとが用いられる。これらの下地マーク，レジストマークは、上記のパターン形成工程で下地パターン，レジストパターンと同時に形成された凹凸構造である。なお、下地マークとレジストマークの間には、下地パターンとレジストパターンの間と同様、加工対象となる材料膜が形成されている。
【０００６】
この状態において、下地マークの位置とレジストマークの位置との差（重ね合わせずれ量）を検出し、得られた重ね合わせずれ量が許容範囲内に含まれるか否かを判断することにより、下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ検査が行われる。
また、重ね合わせずれ量の検出に当たっては、基板上の下地マークとレジストマークとを含む観察領域が装置の視野内に位置決めされ、ＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて下地マーク，レジストマークの画像が取り込まれる。そして、このマーク画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて重ね合わせずれ量が検出される。エッジ部分とは、マーク画像の中で輝度値が急変する部分である。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１２４４５８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、下地マークとレジストマークの間には加工対象の材料膜が形成され、下地マークが材料膜で覆われているため、重ね合わせ検査時に取り込まれるマーク画像には、下地マーク自体の画像ではなく、下地マークに対応して材料膜の表面に浮き出た凹凸構造（本明細書では「疑似マーク」という）の画像が含まれることになる。
【０００９】
そして、擬似マークの画像からエッジ部分を検出しても、そのエッジ部分の位置は、下地マークのエッジ位置からずれている場合がある。このような場合、マーク画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて重ね合わせずれ量を検出しても、正確な検出結果を得ることができなかった。その結果、下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ検査を精度良く行うこともできなかった。
【００１０】
本発明の目的は、下地マークが材料膜で覆われた状態において、下地パターンとレジストパターンとの重ね合わせ状態を高精度に検査できる重ね合わせ検査装置および重ね合わせ検査方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成されたパターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査装置であって、前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像手段と、前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出手段と、前記ショット領域内での前記マーク領域の位置に基づいて、前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定手段と、前記検出手段による検出結果と前記推定手段による推定結果とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出手段とを備えるものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の重ね合わせ検査装置において、前記推定手段は、前記ショット領域内での前記マーク領域の位置ごとに異なる推定式を用い、該推定式にしたがって前記位置ずれ量を推定するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の重ね合わせ検査装置において、前記推定式は、前記ショット領域を含む被検基板内での前記マーク領域の位置および／または前記疑似マークに関わる前記エッジ部分の輝度変化の非対称性を特徴づける量を変数とし、該変数と前記位置ずれ量との関係を表す式であり、前記推定手段は、前記位置ずれ量の推定に先立って前記変数の値を求め、該値を前記推定式に代入することで、前記位置ずれ量を推定するものである。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成されたパターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査装置であって、前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像手段と、前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出手段と、前記ショット領域が形成された被検基板内での前記マーク領域の位置に基づいて、前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定手段と、前記検出手段による検出結果と前記推定手段による推定結果とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出手段とを備えたものである。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の重ね合わせ検査装置において、前記推定手段は、前記位置ずれ量を推定する際、前記疑似マークに関わる前記エッジ部分の輝度変化の非対称性を特徴づける量を加味するするものである。
請求項６に記載の発明は、第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成されたパターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査方法であって、前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像工程と、前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出工程と、前記ショット領域内での前記マーク領域の位置に基づいて、前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定工程と、前記検出工程における検出結果と前記推定工程における推定結果とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出工程とを備えるものである。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の重ね合わせ検査方法において、前記推定工程では、前記ショット領域内での前記マーク領域の位置ごとに異なる推定式を用い、該推定式にしたがって前記位置ずれ量を推定するものである。
請求項８に記載の発明は、第１層上に膜が形成され且つ該膜上に第２層が形成されたショット領域の、前記第１層に形成されたパターンと前記第２層に形成されたパターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査方法であって、前記第１層に形成された第１マークと前記第２層に形成された第２マークが位置するマーク領域の像を撮像して、前記マーク領域の画像に関わる信号を出力する撮像工程と、前記マーク領域の画像に現れたエッジ部分の位置に基づいて、前記第２マークの位置を検出すると共に、前記第１マークに対応して前記膜の表面に浮き出た疑似マークの位置を検出する検出工程と、前記ショット領域が形成された被検基板内での前記マーク領域の位置に基づいて、前記疑似マークと前記第１マークとの位置ずれ量を推定する推定工程と、前記検出工程における検出結果と前記推定工程における推定結果とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出工程とを備えたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項８に対応する。
本実施形態の重ね合わせ検査装置１０は、図１に示すように、ウエハ１１を支持する検査ステージ１２と、ウエハ１１側に向けて照明光Ｌ１を射出する照明光学系（１３〜１５）と、ウエハ１１の像を形成する結像光学系（１６，１７）と、ＣＣＤ撮像素子１８と、画像処理装置１９と、制御コンピュータ２０とで構成されている。
【００１７】
この重ね合わせ検査装置１０について具体的に説明する前に、ウエハ１１（被検基板）の説明を行う。
ウエハ１１には、図２（ａ）に示すように、複数のショット領域２１がｘｙ方向に沿って２次元配列されている。また、各々のショット領域２１には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面上に積層されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。
【００１８】
つまり、ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。上記の下地パターンは請求項の「第１層に形成されたパターン」に対応し、レジストパターンは「第２層に形成されたパターン」に対応する。
【００１９】
そして、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態が重ね合わせ検査装置１０によって検査される。このため、ウエハ１１の各ショット領域２１内には、図２（ｂ）に示すように、重ね合わせ状態の検査に用いられる重ね合わせマーク３０が形成されている（図中、符号を３０Ａ〜３０Ｄとした）。本実施形態では、各ショット領域２１の四隅に重ね合わせマーク３０が形成されているものとする。
【００２０】
また、各々の重ね合わせマーク３０は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、外側の下地マーク４１と内側のレジストマーク４４とで構成されている。図３（ａ）は、重ね合わせマーク３０の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＸ方向に沿ったＣ−Ｃ断面を示す図である。
下地マーク４１，レジストマーク４４は、各々、下地パターン，レジストパターン（不図示）と同時に形成され、下地パターン，レジストパターンの基準位置を示している。下地マーク４１は請求項の「第１層に形成されたマーク」に対応し、レジストマーク４４は「第２層に形成されたマーク」に対応する。
【００２１】
さらに、レジストマーク４４およびレジストパターンと、下地マーク４１および下地パターンとの間には、図３（ｂ）に示すように、加工対象となる材料膜４２が形成されている。この材料膜４２は、重ね合わせ検査装置１０での検査後、レジストマーク４４が下地マーク４１に対して正確に重ね合わされ、レジストパターンが下地パターンに対して正確に重ね合わされている場合に、レジストマーク４４，レジストパターンを介して実際に加工される膜である。
【００２２】
このように、重ね合わせ検査の対象となるウエハ１１には、各ショット領域２１の四隅において、下地マーク４１上に材料膜４２が形成され且つ材料膜４２上にレジストマーク４４が形成され、材料膜４２の表面４２ａに、下地マーク４１の凹凸構造による疑似マーク４７が浮き出ている。
Ｘ方向に関して言うと（図３（ｂ））、レジストマーク４４は対をなす２つの凸部４４ａ，４４ｂからなる。また、下地マーク４１は対をなす２つの凹部４１ａ，４１ｂからなり、疑似マーク４７も対をなす２つの凹部４７ａ，４７ｂからなる。この疑似マーク４７の凹部４７ａ、凹部４７ｂそれぞれの形状は、材料膜４２が化学的機械的研磨法やスパッタリング法を用いて形成された場合に、左右非対称な形状（図４（ｂ）参照）になりやすい。
【００２３】
さて次に、重ね合わせ検査装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
重ね合わせ検査装置１０の検査ステージ１２は、ウエハ１１を水平状態に保持すると共に、水平面内で任意の位置に移動可能である。検査ステージ１２の法線方向をＺ方向、ウエハ１１の載置面をＸＹ面とする。
検査ステージ１２を移動させることにより、ウエハ１１のショット領域２１のうち、重ね合わせマーク３０（レジストマーク４４，下地マーク４１，疑似マーク４７）が形成された観察領域４５（図３（ａ），（ｂ））を、結像光学系（１６，１７）の視野内に位置決めできる。観察領域４５は、請求項の「マーク領域」に対応する。
【００２４】
照明光学系（１３〜１５）は、光源１３と照明レンズ１４とプリズム１５とで構成され、プリズム１５が結像光学系（１６，１７）の光軸Ｏ２上に配置される。結像光学系（１６，１７）の光軸Ｏ２はＺ方向に平行である。プリズム１５の反射透過面１５ａは、光軸Ｏ２に対して略４５°傾けられている。照明光学系（１３〜１５）の光軸Ｏ１は、結像光学系（１６，１７）の光軸Ｏ２に垂直である。
【００２５】
結像光学系（１６，１７）は、対物レンズ１６と結像レンズ１７とで構成された光学顕微鏡部であり、対物レンズ１６が検査ステージ１２とプリズム１５との間に配置される。結像レンズ１７は、第２対物レンズとして機能する光学素子であり、プリズム１５を挟んで対物レンズ１６とは反対側に配置される。
【００２６】
上記の照明光学系（１３〜１５）および結像光学系（１６，１７）において、光源１３から射出された光は、照明レンズ１４を介してプリズム１５に導かれ、その反射透過面１５ａで反射した後（照明光Ｌ１）、対物レンズ１６側に導かれる。そして、対物レンズ１６を通過した後（照明光Ｌ２）、検査ステージ１２上のウエハ１１に入射する。このとき、ウエハ１１のショット領域２１内の観察領域４５（図３）は、照明光Ｌ２により略垂直に照明される。
【００２７】
そして、照明光Ｌ２が照射されたウエハ１１の観察領域４５からは、そこでの凹凸構造（重ね合わせマーク３０）に応じて反射光Ｌ３が発生する。この反射光Ｌ３は、対物レンズ１６とプリズム１５とを介して結像レンズ１７に導かれ、対物レンズ１６と結像レンズ１７の作用によってＣＣＤ撮像素子１８の撮像面上に結像される。このとき、ＣＣＤ撮像素子１８の撮像面上には、反射光Ｌ３に基づく拡大像（反射像）が形成される。
【００２８】
ＣＣＤ撮像素子１８は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、撮像面上の反射像を撮像し、ウエハ１１の観察領域４５（図３）の画像に関わる信号を画像処理装置１９に出力する。観察領域４５の画像は、ＣＣＤ撮像素子１８の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。
なお、上記の結像光学系（１６，１７）およびＣＣＤ撮像素子１８は、請求項の「撮像手段」に対応する。画像処理装置１９は、請求項の「検出手段」，「推定手段」に対応する。制御コンピュータ２０は「推定手段」，「算出手段」に対応する。
【００２９】
画像処理装置１９は、ＣＣＤ撮像素子１８からの出力信号に基づいて、ウエハ１１の観察領域４５（重ね合わせマーク３０を含む）の反射像を画像として取り込む。
ここで、ウエハ１１の観察領域４５の画像には、下地マーク４１自体の凹凸構造によるエッジ部分ではなく、下地マーク４１の形状の影響を受けて材料膜４２の表面４２ａに浮き出た凹凸構造（Ｘ方向については凹部４７ａ，４７ｂ）による疑似マーク４７のエッジ部分と、レジストマーク４４の凹凸構造（Ｘ方向については凸部４４ａ，４４ｂ）によるエッジ部分とが現れる。エッジ部分とは、画像のうち輝度値の急変部分である。
【００３０】
画像処理装置１９は、ウエハ１１の観察領域４５の画像に現れた複数のエッジ部分のうち、レジストマーク４４に関わるエッジ部分の位置（ここでは図３のＣ，Ｄ）に基づいて、レジストマーク４４の位置（ここでは図３における凸部４４ａ，４４ｂの中心位置Ｗｒ）を検出する。また、疑似マーク４７に関わるエッジ部分の位置（ここでは図３のＥ，Ｆ）に基づいて、疑似マーク４７の位置（ここでは図３における凹部４７ａ，４７ｂの中心位置Ｗｇ）を検出する。
【００３１】
なお、下地マーク４１の位置は、エッジ部分４１ａ，４１ｂの位置（図３のＳ１，Ｓ２）の中心位置Ｗｓとなる。しかし、ウエハ１１の重ね合わせ検査は、下地マーク４１が材料膜４２で覆われた状態のときに行われるため、下地マーク４１の位置Ｓを直接検出することはできない。
図４は、擬似マーク４７が対称であることと非対称であることを説明するための図である。擬似マーク４７のエッジ部分４７ａと４７ｂの双方の形状が図４（ａ）に示すような対称性を有しておれば、結果として擬似マーク４７の位置Ｗｇは、下地マークの位置Ｗｓに一致する。
【００３２】
そして、疑似マーク４７の位置Ｗｇが下地マーク４１の位置Ｗｓからずれている場合は、レジストマーク４４の位置Ｗｒと疑似マーク４７の位置Ｗｇとの差に基づいて、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせずれ量Δを検出しようとしても、正確な結果は得られない。
そこで、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０では、制御コンピュータ２０が疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量（δ）を推定し、推定した位置ずれ量（δ）を用いて補正することにより、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせずれ量Δを正確に検出する（詳細は後述する）。
【００３３】
重ね合わせずれ量Δの検出のため、上記したレジストマーク４４の位置Ｗｒおよび疑似マーク４７の位置Ｗｇに関する検出結果は、画像処理装置１９から制御コンピュータ２０に出力される。
また、画像処理装置１９は、制御コンピュータ２０が疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量（δ）を推定するに備えて、疑似マーク４７のエッジ部分の形状がどの程度非対称であるかを示す特徴量（以下「非対称性特徴量」という）を検出し、制御コンピュータ２０に出力する。
【００３４】
さらに、上記の非対称性特徴量に加えて、ウエハ１１内での観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）、および、ショット領域２１内での観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）も、制御コンピュータ２０に出力する。本実施形態において、ショット領域２１内での位置（Ｘｓ，Ｙｓ）とは、図２（ｂ）の４つの重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄのうち何れか１つを特定するための情報である。
【００３５】
なお、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量を検出するに当たって、画像処理装置１９は、ウエハ１１の観察領域４５の画像に現れたエッジ部分のうち、疑似マーク４７に関わるエッジ部分の所定方向に沿った輝度変化を参照する。そして、この輝度変化の非対称性を特徴づける量を非対称性特徴量として検出する。
【００３６】
ちなみに、Ｘ方向に沿った輝度変化には、図５に示すように、疑似マーク４７の２つの凹部４７ａ，４７ｂに対応する波形部分５７ａ，５７ｂと、レジストマーク４４の２つの凸部４４ａ，４４ｂに対応する波形部分５４ａ，５４ｂとが現れている。このうち波形部分５７ａ，５７ｂの輝度変化に基づいて、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量が検出される。
【００３７】
疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量としては、例えば、（１）波形部分５７ａの外側の変曲点ａと極小点ｂとを結ぶ線分ａｂの傾きＳ（ａｂ）と、（２）波形部分５７ａの外側の極小点ｂと内側の極小点ｃとを結ぶ線分ｂｃの傾きＳ（ｂｃ）と、（３）波形部分５７ａの内側の極小点ｃと変曲点ｄとを結ぶ線分ｃｄの傾きＳ（ｃｄ）と、（４）波形部分５７ｂの内側の変曲点ｅと極小点ｆとを結ぶ線分ｅｆの傾きＳ（ｅｆ）と、（５）波形部分５７ｂの内側の極小点ｆと外側の極小点ｇとを結ぶ線分ｆｇの傾きＳ（ｆｇ）と、（６）波形部分５７ｂの外側の極小点ｇと変曲点ｈとを結ぶ線分ｇｈの傾きＳ（ｇｈ）との６つが考えられる。
【００３８】
Ｙ方向に沿った輝度変化についても同様であり、疑似マーク４７の凹凸構造に対応する２つの波形部分の輝度変化に基づいて、Ｙ方向に関する非対称な形状を示す特徴量（傾き）が検出される。傾きとは、２点間の輝度差と所定方向（Ｘ方向またはＹ方向）に沿った距離との比で表される。以下、Ｘ方向を例に説明を行う。Ｙ方向についてはＸ方向と同じであるため、説明を省略する。
【００３９】
本実施形態の画像処理装置１９では、上記した６つの傾きＳ（ａｂ），Ｓ（ｂｃ），Ｓ（ｃｄ），Ｓ（ｅｆ），Ｓ（ｆｇ），Ｓ（ｇｈ）のうち、対をなす任意の２つ（例えばＳ（ｂｃ），Ｓ（ｆｇ））を検出し、非対称性特徴量として制御コンピュータ２０に出力する。Ｓ（ｂｃ），Ｓ（ｆｇ）に代えて、Ｓ（ａｂ），Ｓ（ｇｈ）を用いても、Ｓ（ｃｄ），Ｓ（ｅｆ）を用いてもよい。
さらに、本実施形態の画像処理装置１９では、上記の非対称性特徴量（２つの傾きＳ（ｂｃ），Ｓ（ｆｇ））に加え、ウエハ１１内での観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）、および、ショット領域２１内での観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）も、制御コンピュータ２０に出力する。
【００４０】
そして、制御コンピュータ２０では、疑似マーク４７のエッジ部分の非対称性特徴量（２つの傾きＳ（ｂｃ），Ｓ（ｆｇ））と、観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）および位置（Ｘｓ，Ｙｓ）とに基づいて、次の方法により、疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量（δ）を推定する。
位置ずれ量（δ）の推定のため、制御コンピュータ２０内のメモリには、４つの推定式が予め記憶されている。４つの推定式は何れも、次の式（１）のように、ウエハ１１内での観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）、および、疑似マーク４７のエッジ部分の非対称性特徴量（２つの傾きＳ（ｂｃ），Ｓ（ｆｇ））を変数とし、これらの変数と位置ずれ量（δ）との関係を表したものである。式（１）のｋ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４は、予め決定された係数である。
【００４１】
δ＝ｋ０＋ｋ１・Ｘｗ＋ｋ２・Ｙｗ＋ｋ３・Ｓ（ｂｃ）＋ｋ４・Ｓ（ｆｇ） …（１）
また、４つの推定式の各々は、通常、係数ｋ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４の値が互いに異なっている。そして、ショット領域２１内での観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）、つまり、４つの重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２（ｂ））の各々に対応づけられて、制御コンピュータ２０内のメモリに記憶されている。
【００４２】
したがって、制御コンピュータ２０では、まず、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）に基づいて、メモリ内の４つの推定式のうち１つを選択する。そして次に、選択した推定式の変数に、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）と非対称性特徴量（２つの傾きＳ（ｂｃ），Ｓ（ｆｇ））を代入することで、位置ずれ量（δ）を推定する。
【００４３】
すなわち、制御コンピュータ２０では、ショット領域２１内での観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）、つまり、４つの重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２（ｂ））ごとに異なる推定式を用いて、位置ずれ量（δ）の推定を行う。
ここで、異なるショット領域２１に各々形成された重ね合わせマーク３０どうしは、ショット領域２１内での位置（Ｘｓ，Ｙｓ）が同じであれば、下地マーク４１を覆っている材料膜４２の形成状態に共通する傾向があると考えられる。このため、材料膜４２の表面４２ａに浮き出た疑似マーク４７のエッジ部分の形状（非対称性）にも、疑似マーク４７の位置ずれ量（δ）にも、共通する傾向があると考えられる。
【００４４】
逆に、異なるショット領域２１に各々形成された重ね合わせマーク３０どうしは、ショット領域２１内での位置（Ｘｓ，Ｙｓ）が異なれば、下地マーク４１を覆っている材料膜４２の形成状態にも、材料膜４２の表面４２ａに浮き出た疑似マーク４７のエッジ部分の形状（非対称性）にも、疑似マーク４７の位置ずれ量（δ）にも、共通する傾向がないと考えられる。
【００４５】
したがって、本実施形態では、疑似マーク４７の位置ずれ量（δ）がショット領域２１内での位置（Ｘｓ，Ｙｓ）に依存すると考え、上記のように、その位置（Ｘｓ，Ｙｓ）ごとに異なる推定式を用いて位置ずれ量（δ）を推定する。その結果、位置ずれ量（δ）の推定精度を確実に向上させることができる。
さて次に、ショット領域２１内での位置（Ｘｓ，Ｙｓ）ごとに異なる４つの推定式（式（１）参照）について、その作成手順を説明する。推定式の作成に当たっては、テストウエハが重ね合わせ検査装置１０の検査ステージ１２に載置される。テストウエハには、ウエハ１１の重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２（ｂ））と同様の重ね合わせマークがｎ個のショット領域２１の四隅に各々形成されているとする。
【００４６】
また、テストウエハの各重ね合わせマークも、図３（ｂ）に示すように、下地マークが材料膜で覆われた状態にある。この状態で、各々の重ね合わせマークを含む観察領域は、順次、重ね合わせ検査装置１０の視野内に位置決めされ、画像として画像処理装置１９に取り込まれる。
そして、画像処理装置１９は、上記のウエハ１１に対する重ね合わせ検査時と同様に、テストウエハの各重ね合わせマークにおけるレジストマークの位置Ｔｒｉと、疑似マークの位置Ｔｇｉと、疑似マークのエッジ形状の非対称性特徴量（２つの傾きＳ（ｂｃ）ｉ，Ｓ（ｆｇ）ｉ）とを検出する（ｉ＝１，２，…，ｎ）。これらの検出結果は、テストウエハ内での観察領域の位置（Ｘｗｉ，Ｙｗｉ）とショット領域内での位置（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ）とに対応づけられ、制御コンピュータ２０内のメモリに記憶される。
【００４７】
次いで、テストウエハの各重ね合わせマークにおける下地マークの位置Ｔｓｉを直接検出するために、テストウエハの材料膜が実際にエッチングされる（図６の状態）。そして、エッチング後のテストウエハが改めて検査ステージ１２に載置され、同様に、各重ね合わせマークの画像が取り込まれる。
このとき取り込まれた画像には、下地マーク自体の凹凸構造に関わるエッジ部分が現れる。したがって、画像処理装置１９では、各々の重ね合わせマークにおける下地マークの位置Ｔｓｉを直接検出することができる（ｉ＝１，２，…，ｎ）。また、レジストマークの位置Ｔｒｉも同様に検出する。これらの検出結果も、観察領域のテストウエハ内での位置（Ｘｗｉ，Ｙｗｉ）とショット領域内での位置（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ）とに対応づけられ、制御コンピュータ２０内のメモリに記憶される。
【００４８】
そして、制御コンピュータ２０では、テストウエハを用いて検出した疑似マークの位置Ｔｇｉと下地マークの位置Ｔｓｉとの差に基づいて、テストウエハ内での位置（Ｘｗｉ，Ｙｗｉ）ごとに、位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）を算出する。
この位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）は、ウエハ１１の表面内での２次元ベクトル量であり、例えば図７（ａ）に示すような分布となる。図７（ａ）において、各ベクトルの始点は、観察領域の位置に対応している。図７（ａ）は、１５個のショット領域について、各ショット領域の四隅に形成された重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄそれぞれの位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）を示している。図７（ａ）の横軸は各ベクトルのＸ方向の長さ（ｎｍ）を表し、縦軸はＹ方向の長さ（ｎｍ）を表している。
【００４９】
また、上記の位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）は、エッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢｉとエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡｉとの差に相当している。エッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢｉとは、図３（ｂ）の状態で検出したレジストマークの位置Ｔｒｉと疑似マークの位置Ｔｇｉとの差である。エッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡｉとは、図６の状態で検出したレジストマークの位置Ｔｒｉと下地マークの位置Ｔｓｉとの差である。
【００５０】
図７（ａ）に示す位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）のベクトル分布を、エッチング前後の重ね合わせずれ量ΔＢｉ，ΔＡｉを用いて表すと、例えば図７（ｂ），（ｃ）のようになる。図７（ｂ），（ｃ）の横軸はエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡｉの大きさ（ｘ，ｙ）を表し、縦軸はエッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢｉの大きさ（ｘ，ｙ）を表している。
【００５１】
図７（ｂ），（ｃ）の各々において、中央の４５°ラインは、エッチング前後の重ね合わせずれ量ΔＢｉ，ΔＡｉの大きさ（ｘ，ｙ）が一致する理想的な場合を表している。既に説明したように、疑似マークのエッジ部分の形状が非対称な場合（図４（ｂ））には、エッチング前後の重ね合わせずれ量ΔＢｉ，ΔＡｉが一致せず、図７（ｂ），（ｃ）に示すように測定点が理想的な４５°ラインから大きく外れることになる。
【００５２】
そして、図７（ｂ）における４５°ラインからの外れ量は、図７（ａ）の位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）のＸ方向の長さに対応する。同様に、図７（ｃ）における４５°ラインからの外れ量は、図７（ａ）の位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）のＹ方向の長さに対応する。
これらの外れ量を補正して、各々の測定点を４５°ライン上に乗せるために、制御コンピュータ２０は、位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）が、疑似マークのエッジ部分の形状の非対称性特徴量（２つの傾きＳ（ｂｃ）ｉ，Ｓ（ｆｇ）ｉ）と、テストウエハ内での位置（Ｘｗｉ，Ｙｗｉ）との線形結合で表されると仮定して、次の関係式（２）を作成する（ｉ＝１，２，…，ｎ）。ｋ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４は、未知の係数である。
【００５３】
Ｔｇｉ−Ｔｓｉ＝ｋ０＋ｋ１・Ｘｗｉ＋ｋ２・Ｙｗｉ＋ｋ３・Ｓ（ｂｃ）ｉ＋ｋ４・Ｓ（ｆｇ）ｉ …（２）
さらに、前述した通り、異なるショット領域に各々形成された重ね合わせマークどうしは、ショット領域内での位置（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ）が同じであれば、疑似マークのエッジ部分の形状（非対称性）および位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）に、共通の傾向（規則性）があると考えられる。
【００５４】
したがって、制御コンピュータ２０は、上記の関係式（２）のうち、ショット領域内での位置（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ）が同じものどうしを選択し、選択した関係式（２）に含まれる実測値「Ｔｇｉ，Ｔｓｉ，Ｘｗｉ，Ｙｗｉ，Ｓ（ｂｃ）ｉ，Ｓ（ｆｇ）ｉ」の組み合わせから（ｉ∈［１，２，…ｎ］）、重回帰分析によって、未知の係数ｋ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４を計算する。
【００５５】
本実施形態では、ショット領域内の重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄ（図２（ｂ））ごとに、上記の関係式（２）から重回帰分析によって係数ｋ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４の値を計算し、上記した位置ずれ量（δ）の推定式（式（１））を決定する。このため、制御コンピュータ２０内のメモリには、４つの推定式がショット領域内の重ね合わせマーク３０Ａ〜３０Ｄに対応づけられて記憶される。
【００５６】
このように、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０では、位置ずれ量（δ）の推定式（式（１））がウエハ１１に対する重ね合わせ検査に先立って決定され、メモリ内に記憶されているため、制御コンピュータ２０では、まず、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）に基づいて、メモリ内の４つの推定式のうち１つを選択する。
【００５７】
そして次に、選択した推定式の変数に、画像処理装置１９から取得した観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）と非対称性特徴量（２つの傾きＳ（ｂｃ），Ｓ（ｆｇ））を代入する。その結果、疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量（δ）を精度良く推定することができる。
さらに、制御コンピュータ２０では、画像処理装置１９によって既に検出されていたレジストマーク４４の位置Ｗｒと疑似マーク４７の位置Ｗｇとの差を計算する。この差（Ｗｒ−Ｗｇ）は、材料膜４２に対するエッチング前（図３（ｂ））の状態）での重ね合わせずれ量ΔＢに相当する。
【００５８】
そして、このエッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢを上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づいて補正することにより、下地マーク４１に対するレジストマーク４４の重ね合わせずれ量ΔＢ（＝Ｗｒ−Ｗｇ＋δ）を検出する。その結果、重ね合わせずれ量ΔＢの正確な検出結果を得ることができる。
ここで、高精度な推定結果（位置ずれ量δ）による補正後の重ね合わせずれ量ΔＢ、つまり、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０による検出結果について、その正確性を検討しておく。この検討のため、上記したテストウエハの場合と同様に、ウエハ１１の材料膜４２を実際にエッチングする（図６の状態）。そして、エッチング後のウエハ１１における各重ね合わせマーク３０の画像を取り込む。
【００５９】
取り込まれた画像には、下地マーク４１自体の凹凸構造に関わるエッジ部分が現れている。したがって、画像処理装置１９は、各々の重ね合わせマーク３０における下地マーク４１の位置Ｔｓを直接検出すると共に、レジストマークの位置Ｔｒを検出し、検出結果を制御コンピュータ２０に出力する。さらに、制御コンピュータ２０は、レジストマークの位置Ｔｒと下地マーク４１の位置Ｔｓとの差に基づいて、エッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡを計算する。
【００６０】
このようにして得られたエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡに対して、本実施形態の重ね合わせ検査装置１０による検出結果（エッチング前でかつ補正後の重ね合わせずれ量ΔＢ）が一致しているか否かは、図８（ａ）〜（ｃ）に示される通りである。図８（ａ）における観察領域の各位置は、図７（ａ）と同じである。また、図８（ａ）〜（ｃ）の縦軸，横軸は、図７（ａ）〜（ｃ）と同じである。
【００６１】
図８（ｂ），（ｃ）と図７（ｂ），（ｃ）を比較すると分かるように、図８（ｂ），（ｃ）の方が、各々の測定点の理想的な４５°ラインからの外れ量が小さい。これは、エッチング前の重ね合わせずれ量ΔＢを上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づいて補正することにより、エッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡに近い値の正確な検出結果が得られたことを意味する。
【００６２】
このことは、図８（ａ）と図７（ａ）を比較しても分かる。図８（ａ）は、エッチング前でかつ補正後の重ね合わせずれ量ΔＢとエッチング後の重ね合わせずれ量ΔＡとの差を、ウエハ１１の表面内でのベクトル分布として表したものである。各々のベクトルは、図８（ａ）の方が短い。これは、上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づく補正によって正確な検出結果が得られることを表している。
【００６３】
なお、図８（ｂ），（ｃ）において、各測定点の４５°ラインからの外れ量は、最大値が５１．８８（ｎｍ），４５．４３（ｎｍ）であり、標準偏差が２４．２１（ｎｍ），１４．０３（ｎｍ）であった。これに対して、図７（ｂ），（ｃ）では、最大値が１４９．１４（ｎｍ），１０５．０２（ｎｍ）であり、標準偏差が６０．６７（ｎｍ），４８．７８（ｎｍ）である。これらの数値からも、上記の高精度な推定結果（位置ずれ量δ）に基づく補正によって正確な検出結果が得られることが分かる。
【００６４】
このように、本実施形態では、下地マーク４１とレジストマーク４４との重ね合わせずれ量ΔＢを正確に検出できるため、下地マーク４１が材料膜４２で覆われた状態のときに疑似マーク４７のエッジ部分の形状が非対称でも、下地パターンとレジストパターンとの重ね合わせ状態を高精度に検査することができる。
また、重ね合わせ検査の精度が向上するので、製品の歩留まりを実質的に向上させることができる。さらに、半導体素子や液晶表示素子の高集積化にも対応できる。なお、位置ずれ量δに基づく補正に際して、取り込む画像数は変わらないので、演算時間に要する分だけ処理時間が増える程度であり、従来までの重ね合わせ検査装置と比べて検査速度が殆ど変わらないという利点もある。
【００６５】
上記した実施形態では、式（１）のように、位置ずれ量の推定式の変数として、ウエハ１１内での観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）と、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量（２つの傾きＳ（ｂｃ），Ｓ（ｆｇ））とを用いたが、本発明はこの例に限定されない。非対称性特徴量は、傾きＳ（ｂｃ），Ｓ（ｆｇ）に代えて、傾きＳ（ａｂ），Ｓ（ｇｈ）を用いても、傾きＳ（ｃｄ），Ｓ（ｅｆ）を用いてもよい。これらの傾きＳ（ａｂ），Ｓ（ｂｃ），Ｓ（ｃｄ），Ｓ（ｅｆ），Ｓ（ｆｇ），Ｓ（ｇｈ）を任意に組み合わせても良い。
【００６６】
また、位置ずれ量の推定式の変数として、ウエハ１１内での観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）のみを用いても、非対称性特徴量のみを用いてもよい。その他に、ショット領域２１内での観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）を、位置ずれ量の推定式の変数として用いることもできる。
また、上記した実施形態では、ショット領域２１内での観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）ごとに異なる推定式を用いて位置ずれ量（δ）の推定を行ったが、ショット領域２１内での観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）に拘わらず同じ推定式を用いて位置ずれ量（δ）を推定してもよい。この場合、推定式の変数としては、ウエハ１１内での観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）を用いることが好ましく、この位置（Ｘｗ，Ｙｗ）と非対称性特徴量とを組み合わせても良い。
【００６７】
図９（ａ）は、図７（ａ）の場合とは、別のテストウエハを用いて、図７（ａ）の場合と同様の観察領域の位置における位置ずれ量（Ｔｇｉ−Ｔｓｉ）の分布を示したものである。図９（ａ）〜（ｃ）の縦軸，横軸は、図７（ａ）〜（ｃ）と同じである。
図１０（ａ）は、上述のように、ショット領域２１内での観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）に拘わらず同じ推定式を用いて位置ずれ量（δ）を推定した例である。すなわち、ウエハ１１内での観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）、および、疑似マーク４７のエッジ部分の形状の非対称性特徴量（４つの傾き）を変数とし、これらの変数と位置ずれ量（δ）との関係を表した１つの推定式を用いた場合である。図１０（ａ）における観察領域の各位置は、図９（ａ）と同じである。また、図１０（ａ）〜（ｃ）の縦軸，横軸は、図９（ａ）〜（ｃ）と同じである。
【００６８】
この場合でも、図９，図１０に示す通り、ウエハ１１の全面において疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量（δ）を精度良く推定することができ、重ね合わせずれ量ΔＢの正確な検出結果を得ることができる。これは、図９（ａ）のように、位置ずれ量がウエハの中心から外周方向へ放射状に分布している場合には、その位置ずれ量は、ショット領域２１内での観察領域４５の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）よりも、ウエハ１１内での観察領域４５の位置（Ｘｗ，Ｙｗ）に大きく影響されるからである。
【００６９】
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ検査装置１０内の画像処理装置１９，制御コンピュータによって、疑似マーク４７と下地マーク４１との位置ずれ量（δ）の推定や重ね合わせずれ量ΔＢの検出などを行ったが、重ね合わせ検査装置１０に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下地マークが材料膜で覆われた状態において、下地パターンとレジストパターンとの重ね合わせ状態を高精度に検査できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の重ね合わせ検査装置１０の全体構成図である。
【図２】ウエハ１１のショット領域２１を説明する図である。
【図３】ショット領域２１内の重ね合わせマーク３０を説明する図である。
【図４】疑似マーク４７の凹部４７ａ，４７ｂの形状が対称な場合（ａ）と非対称な場合（ｂ）とを説明する図である。
【図５】重ね合わせマーク３０の画像の輝度変化を説明する図である。
【図６】材料膜４２に対するエッチング後の状態を説明する図である。
【図７】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正前）を説明する図である。
【図８】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正後）を説明する図である。
【図９】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正前）を説明する図である。
【図１０】材料膜４２に対するエッチング前後のウエハ１１において各々検出した重ね合わせずれ量（補正後）を説明する図である。
【符号の説明】
１０重ね合わせ検査装置
１１ウエハ
１２検査ステージ
１３光源
１４照明レンズ
１５プリズム
１６対物レンズ
１７結像レンズ
１８ＣＣＤ撮像素子
１９画像処理装置
２０制御コンピュータ
２１ショット領域
３０重ね合わせマーク
４１下地マーク
４２材料膜
４４レジストマーク
４５観察領域
４７疑似マーク[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an overlay inspection apparatus and an overlay inspection method for inspecting an overlay state of a plurality of patterns formed on a substrate in a manufacturing process of a semiconductor element or a liquid crystal display element.
[0002]
[Prior art]
As is well known, in a manufacturing process of a semiconductor element or a liquid crystal display element, an exposure step of printing a circuit pattern formed on a mask (reticle) on a resist film, and a development step of dissolving an exposed or unexposed part of the resist film. The circuit pattern (resist pattern) is transferred to the resist film through etching, and the resist pattern is used as a mask to perform etching or vapor deposition (processing step), thereby forming a circuit on a predetermined material film immediately adjacent to the resist film. The pattern is transferred (pattern forming step).
[0003]
Next, to form another circuit pattern on the circuit pattern formed on the predetermined material film, a similar pattern forming step is repeated. By repeatedly performing the pattern forming process many times, circuit patterns of various material films are stacked on a substrate (semiconductor wafer or liquid crystal substrate), and a circuit of a semiconductor element or a liquid crystal display element is formed.
[0004]
By the way, in the above-mentioned manufacturing process, in order to accurately overlap circuit patterns of various material films, in each pattern forming process, after the developing process and before the working process, the resist pattern on the substrate is overlapped. Inspection of the condition is performed to improve the product yield. This inspection is an overlay inspection of a resist pattern with respect to a circuit pattern (hereinafter, referred to as a “base pattern”) formed in a previous pattern forming step.
[0005]
In the overlay inspection, usually, a base mark indicating a reference position of a base pattern and a resist mark indicating a reference position of a resist pattern are used. These base marks and resist marks have a concavo-convex structure formed simultaneously with the base pattern and the resist pattern in the above-described pattern forming step. A material film to be processed is formed between the base mark and the resist mark, as in the case between the base pattern and the resist pattern.
[0006]
In this state, the difference between the position of the base mark and the position of the registration mark (the amount of misalignment) is detected, and it is determined whether or not the obtained amount of misalignment is within an allowable range. An overlay inspection of the resist pattern with respect to the pattern is performed.
Further, in detecting the amount of misalignment, the observation area including the base mark and the registration mark on the substrate is positioned within the field of view of the apparatus, and the image of the base mark and the registration mark is captured using an image sensor such as a CCD camera. It is captured. Then, the overlay displacement amount is detected based on the position of the edge portion appearing in the mark image. The edge portion is a portion where the luminance value changes suddenly in the mark image.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2002-124458 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, since a material film to be processed is formed between the base mark and the resist mark, and the base mark is covered with the material film, the mark image captured during the overlay inspection is not an image of the base mark itself. In this case, an image of a concavo-convex structure (referred to as “pseudo mark” in this specification) protruding from the surface of the material film corresponding to the base mark is included.
[0009]
Then, even if an edge portion is detected from the image of the pseudo mark, the position of the edge portion may be shifted from the edge position of the base mark. In such a case, even if the overlay displacement amount is detected based on the position of the edge portion appearing in the mark image, an accurate detection result cannot be obtained. As a result, the overlay inspection of the resist pattern with respect to the underlying pattern could not be performed with high accuracy.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an overlay inspection apparatus and an overlay inspection method capable of inspecting the overlay state of an underlying pattern and a resist pattern with high accuracy while the underlying mark is covered with a material film.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, in a shot region in which a film is formed on a first layer and a second layer is formed on the film, a pattern formed in the first layer and a pattern formed in the second layer are formed. An overlay inspection apparatus for inspecting an overlay state of a formed pattern and an image of a mark area where a first mark formed on the first layer and a second mark formed on the second layer are located. Imaging means for imaging and outputting a signal relating to the image of the mark area; detecting the position of the second mark based on the position of an edge portion appearing in the image of the mark area; Detecting means for detecting the position of the pseudo mark raised on the surface of the film in accordance with the position of the pseudo mark, and the amount of displacement between the pseudo mark and the first mark based on the position of the mark area in the shot area. Estimating means for estimating Based on the estimation result by the detection result and the estimation means by detection means, in which and a calculating means for calculating the overlay deviation amount between the second mark and the first mark.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the overlay inspection apparatus according to the first aspect, the estimating means uses a different estimating equation for each position of the mark area in the shot area, and according to the estimating equation. The position shift amount is estimated.
According to a third aspect of the present invention, in the overlay inspection apparatus according to the second aspect, the estimation formula relates to a position of the mark area and / or the pseudo mark in a test substrate including the shot area. An expression representing a relationship between the variable and the displacement amount, which is a variable that characterizes the asymmetry of the luminance change of the edge portion, wherein the estimating unit estimates the variable before the estimation of the displacement amount. The position shift amount is estimated by obtaining a value and substituting the value into the estimation formula.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in a shot region in which a film is formed on a first layer and a second layer is formed on the film, the shot region is formed on the pattern formed on the first layer and on the second layer. An overlay inspection apparatus for inspecting an overlay state of a formed pattern and an image of a mark area where a first mark formed on the first layer and a second mark formed on the second layer are located. Imaging means for imaging and outputting a signal relating to the image of the mark area; detecting the position of the second mark based on the position of an edge portion appearing in the image of the mark area; Detecting means for detecting the position of the pseudo mark raised on the surface of the film in accordance with the position of the pseudo mark, and detecting the position of the pseudo mark based on the position of the mark area in the test substrate on which the shot area is formed. Estimate the amount of misalignment with one mark And a calculating means for calculating the amount of misalignment between the first mark and the second mark based on the detection result by the detecting means and the estimation result by the estimating means. .
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, in the overlay inspection apparatus according to the third aspect, the estimating means removes the asymmetry of the luminance change of the edge portion related to the pseudo mark when estimating the positional shift amount. The characteristic amount is taken into account.
According to a sixth aspect of the present invention, in a shot region in which a film is formed on a first layer and a second layer is formed on the film, a pattern formed on the first layer and a second region formed on the second layer are formed. A superposition inspection method for inspecting a superimposition state of the formed pattern and an image of a mark area where a first mark formed on the first layer and a second mark formed on the second layer are located. An imaging step of imaging and outputting a signal relating to the image of the mark area; detecting a position of the second mark based on a position of an edge portion appearing in the image of the mark area; Detecting the position of the pseudo mark raised on the surface of the film in accordance with the position of the pseudo mark and the position shift amount between the pseudo mark and the first mark based on the position of the mark area in the shot area. The estimation process of estimating Based on the estimation result in the detection result and the estimation step in the detection step, in which and a calculation step of calculating a misalignment amount between the second mark and the first mark.
[0015]
According to a seventh aspect of the present invention, in the overlay inspection method according to the sixth aspect, in the estimating step, a different estimation formula is used for each position of the mark area in the shot area, and according to the estimation equation. The position shift amount is estimated.
The invention according to claim 8, wherein a pattern formed on the first layer and a pattern formed on the second layer in a shot region in which a film is formed on the first layer and the second layer is formed on the film. A superposition inspection method for inspecting a superimposition state of the formed pattern and an image of a mark area where a first mark formed on the first layer and a second mark formed on the second layer are located. An imaging step of imaging and outputting a signal relating to the image of the mark area; detecting a position of the second mark based on a position of an edge portion appearing in the image of the mark area; A detecting step of detecting a position of the pseudo mark raised on the surface of the film in response to the pseudo mark and the second step based on the position of the mark area in the test substrate on which the shot area is formed. Estimate the amount of misalignment with one mark And a calculating step of calculating the amount of misalignment between the first mark and the second mark based on the detection result in the detection step and the estimation result in the estimation step. .
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
An embodiment of the present invention corresponds to claims 1 to 8.
As shown in FIG. 1, the overlay inspection apparatus 10 of the present embodiment includes an inspection stage 12 that supports a wafer 11, an illumination optical system (13 to 15) that emits illumination light L1 toward the wafer 11, and It comprises an imaging optical system (16, 17) for forming an image of the wafer 11, a CCD image pickup device 18, an image processing device 19, and a control computer 20.
[0017]
Before specifically describing the overlay inspection apparatus 10, the wafer 11 (substrate to be inspected) will be described.
As shown in FIG. 2A, a plurality of shot areas 21 are two-dimensionally arranged on the wafer 11 along the xy directions. In each shot area 21, a plurality of circuit patterns (all not shown) are stacked on the surface. The uppermost circuit pattern is a resist pattern transferred to a resist film.
[0018]
That is, the wafer 11 is in the process of forming another circuit pattern on the underlying pattern formed in the previous pattern forming process (after exposure and development of the resist film and before etching of the material film). In state. The underlayer pattern corresponds to a “pattern formed on the first layer” in the claims, and the resist pattern corresponds to a “pattern formed on the second layer”.
[0019]
Then, the overlay inspection apparatus 10 inspects the superposition state of the resist pattern on the base pattern of the wafer 11. For this reason, in each shot area 21 of the wafer 11, as shown in FIG. 2B, an overlay mark 30 used for inspection of an overlay state is formed. And). In the present embodiment, it is assumed that overlay marks 30 are formed at four corners of each shot area 21.
[0020]
Each of the overlay marks 30 is composed of an outer base mark 41 and an inner resist mark 44 as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). FIG. 3A is a plan view of the overlay mark 30, and FIG. 3B is a diagram illustrating a CC cross section along the X direction of FIG. 3A.
The base mark 41 and the resist mark 44 are formed simultaneously with the base pattern and the resist pattern (not shown), and indicate the reference positions of the base pattern and the resist pattern. The base mark 41 corresponds to a “mark formed on the first layer” in the claims, and the resist mark 44 corresponds to a “mark formed on the second layer”.
[0021]
Further, a material film 42 to be processed is formed between the resist mark 44 and the resist pattern and the base mark 41 and the base pattern, as shown in FIG. 3B. After the inspection with the overlay inspection apparatus 10, the material film 42 is formed such that the resist mark 44 is accurately superimposed on the base mark 41 and the resist pattern is correctly superimposed on the base pattern. 44, a film actually processed via a resist pattern.
[0022]
As described above, on the wafer 11 to be subjected to the overlay inspection, the material film 42 is formed on the base mark 41 and the resist mark 44 is formed on the material film 42 at the four corners of each shot region 21. On the surface 42a of the pseudo mark 42, a pseudo mark 47 formed by the uneven structure of the base mark 41 is protruding.
With respect to the X direction (FIG. 3B), the registration mark 44 includes two pairs of convex portions 44a and 44b. In addition, the base mark 41 includes two pairs of concave portions 41a and 41b, and the pseudo mark 47 includes two pairs of concave portions 47a and 47b. Each of the concave portions 47a and 47b of the pseudo mark 47 has an asymmetric shape (see FIG. 4B) when the material film 42 is formed by using a chemical mechanical polishing method or a sputtering method. Prone.
[0023]
Next, a specific configuration of the overlay inspection apparatus 10 (FIG. 1) will be described.
The inspection stage 12 of the overlay inspection apparatus 10 holds the wafer 11 in a horizontal state and can be moved to an arbitrary position in a horizontal plane. The normal direction of the inspection stage 12 is the Z direction, and the mounting surface of the wafer 11 is the XY plane.
By moving the inspection stage 12, the observation area 45 (FIG. 3A, FIG. 3A) in which the overlay mark 30 (the resist mark 44, the base mark 41, and the pseudo mark 47) is formed in the shot area 21 of the wafer 11. b)) can be positioned within the field of view of the imaging optics (16, 17). The observation area 45 corresponds to a “mark area” in the claims.
[0024]
The illumination optical system (13 to 15) includes a light source 13, an illumination lens 14, and a prism 15, and the prism 15 is arranged on the optical axis O2 of the imaging optical system (16, 17). The optical axis O2 of the imaging optical system (16, 17) is parallel to the Z direction. The reflection / transmission surface 15a of the prism 15 is inclined at approximately 45 ° with respect to the optical axis O2. The optical axis O1 of the illumination optical system (13 to 15) is perpendicular to the optical axis O2 of the imaging optical system (16, 17).
[0025]
The imaging optical system (16, 17) is an optical microscope section including an objective lens 16 and an imaging lens 17, and the objective lens 16 is disposed between the inspection stage 12 and the prism 15. The imaging lens 17 is an optical element that functions as a second objective lens, and is arranged on the opposite side of the prism 15 from the objective lens 16.
[0026]
In the illumination optical systems (13 to 15) and the imaging optical systems (16, 17), the light emitted from the light source 13 is guided to the prism 15 via the illumination lens 14, and reflected by the reflection / transmission surface 15a. After that (illumination light L1), the light is guided to the objective lens 16 side. Then, after passing through the objective lens 16 (illumination light L2), the light enters the wafer 11 on the inspection stage 12. At this time, the observation area 45 (FIG. 3) in the shot area 21 of the wafer 11 is illuminated substantially vertically by the illumination light L2.
[0027]
Then, from the observation area 45 of the wafer 11 irradiated with the illumination light L2, reflected light L3 is generated according to the concavo-convex structure there (overlap mark 30). The reflected light L3 is guided to the imaging lens 17 via the objective lens 16 and the prism 15, and is imaged on the imaging surface of the CCD imaging device 18 by the action of the objective lens 16 and the imaging lens 17. At this time, an enlarged image (reflection image) based on the reflected light L3 is formed on the imaging surface of the CCD imaging device 18.
[0028]
The CCD image sensor 18 is an area sensor in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged, captures a reflection image on an imaging surface, and converts a signal related to an image of an observation area 45 (FIG. Output to The image of the observation area 45 represents a distribution (luminance distribution) relating to the luminance value of each pixel on the imaging surface of the CCD imaging device 18.
The above-described imaging optical systems (16, 17) and the CCD image pickup device 18 correspond to the "imaging means" in the claims. The image processing device 19 corresponds to “detection means” and “estimation means” in the claims. The control computer 20 corresponds to “estimating means” and “calculating means”.
[0029]
The image processing device 19 captures, as an image, a reflection image of the observation area 45 (including the overlay mark 30) of the wafer 11 based on an output signal from the CCD image sensor 18.
Here, the image of the observation area 45 of the wafer 11 is not an edge portion due to the uneven structure of the base mark 41 itself, but has an uneven structure (X) raised on the surface 42 a of the material film 42 under the influence of the shape of the base mark 41. Regarding the direction, an edge portion of the pseudo mark 47 due to the concave portions 47a and 47b) and an edge portion due to the uneven structure of the resist mark 44 (the convex portions 44a and 44b in the X direction) appear. The edge portion is a portion where the luminance value changes rapidly in the image.
[0030]
The image processing device 19 determines the registration mark 44 based on the position of the edge portion related to the registration mark 44 (here, C and D in FIG. 3) among the plurality of edge portions appearing in the image of the observation region 45 of the wafer 11. (Here, the center position Wr of the convex portions 44a and 44b in FIG. 3) is detected. Further, the position of the pseudo mark 47 (here, the center position Wg of the concave portions 47a, 47b in FIG. 3) is detected based on the position of the edge portion related to the pseudo mark 47 (here, E and F in FIG. 3).
[0031]
The position of the base mark 41 is the center position Ws of the positions of the edge portions 41a and 41b (S1 and S2 in FIG. 3). However, since the overlay inspection of the wafer 11 is performed when the base mark 41 is covered with the material film 42, the position S of the base mark 41 cannot be directly detected.
FIG. 4 is a diagram for explaining that the pseudo mark 47 is symmetric and asymmetric. If the shapes of both the edge portions 47a and 47b of the pseudo mark 47 have symmetry as shown in FIG. 4A, as a result, the position Wg of the pseudo mark 47 matches the position Ws of the base mark. .
[0032]
When the position Wg of the pseudo mark 47 is deviated from the position Ws of the base mark 41, the resist pattern for the base pattern of the wafer 11 is determined based on the difference between the position Wr of the resist mark 44 and the position Wg of the pseudo mark 47. , The accurate result cannot be obtained.
Therefore, in the overlay inspection apparatus 10 of the present embodiment, the control computer 20 estimates the amount of misalignment (δ) between the pseudo mark 47 and the base mark 41 and corrects using the estimated amount of misalignment (δ). As a result, the overlay shift amount Δ of the resist pattern with respect to the base pattern of the wafer 11 is accurately detected (details will be described later).
[0033]
The detection result regarding the position Wr of the registration mark 44 and the position Wg of the pseudo mark 47 is output from the image processing device 19 to the control computer 20 for detecting the overlay deviation amount Δ.
In addition, the image processing apparatus 19 determines how asymmetric the shape of the edge portion of the pseudo mark 47 is in preparation for the control computer 20 to estimate the amount of displacement (δ) between the pseudo mark 47 and the base mark 41. The detected characteristic amount (hereinafter, referred to as “asymmetric characteristic amount”) is detected and output to the control computer 20.
[0034]
Further, in addition to the above-described asymmetric feature amount, the position (Xw, Yw) of the observation region 45 in the wafer 11 and the position (Xs, Ys) of the observation region 45 in the shot region 21 are also controlled by the control computer. 20. In the present embodiment, the position (Xs, Ys) in the shot area 21 is information for specifying any one of the four overlay marks 30A to 30D in FIG.
[0035]
In detecting the asymmetry characteristic amount of the shape of the edge portion of the pseudo mark 47, the image processing apparatus 19 detects the edge portion related to the pseudo mark 47 among the edge portions appearing in the image of the observation region 45 of the wafer 11. Reference is made to a luminance change along a predetermined direction. Then, an amount characterizing the asymmetry of the luminance change is detected as an asymmetric characteristic amount.
[0036]
By the way, as shown in FIG. 5, waveform changes 57a and 57b corresponding to the two concave portions 47a and 47b of the pseudo mark 47 and two convex portions 44a and 44b of the registration mark 44 correspond to the luminance change along the X direction. And the waveform portions 54a and 54b corresponding to. The asymmetric feature amount of the shape of the edge portion of the pseudo mark 47 is detected based on the luminance change of the waveform portions 57a and 57b.
[0037]
As the asymmetry feature amount of the shape of the edge portion of the pseudo mark 47, for example, (1) the slope S (ab) of the line segment ab connecting the inflection point a outside the waveform portion 57a and the minimum point b, and 2) The slope S (bc) of the line segment bc connecting the minimum point b outside and the minimum point c inside the waveform portion 57a, and (3) the minimum point c and the inflection point d inside the waveform portion 57a. (5) the slope S (ef) of the line segment ef connecting the inflection point e and the minimum point f inside the waveform portion 57b; The slope S (fg) of the line segment fg connecting the inner minimum point f and the outer minimum point g, and (6) the slope of the line segment gh connecting the minimum point g outside the waveform portion 57b and the inflection point h. And S (gh).
[0038]
The same is true for the luminance change along the Y direction, and a feature amount (inclination) indicating an asymmetrical shape in the Y direction is detected based on the luminance change of two waveform portions corresponding to the uneven structure of the pseudo mark 47. . The inclination is represented by a ratio between a luminance difference between two points and a distance along a predetermined direction (X direction or Y direction). Hereinafter, description will be made taking the X direction as an example. Since the Y direction is the same as the X direction, the description is omitted.
[0039]
In the image processing device 19 of the present embodiment, a pair is formed among the above-described six slopes S (ab), S (bc), S (cd), S (ef), S (fg), and S (gh). Any two (for example, S (bc) and S (fg)) are detected and output to the control computer 20 as an asymmetric feature value. Instead of S (bc) and S (fg), S (ab) and S (gh) may be used, or S (cd) and S (ef) may be used.
Further, in the image processing device 19 of the present embodiment, in addition to the above-described asymmetric feature amount (two slopes S (bc) and S (fg)), the position (Xw, Yw) of the observation area 45 in the wafer 11 , And the position (Xs, Ys) of the observation area 45 in the shot area 21 are also output to the control computer 20.
[0040]
Then, in the control computer 20, the asymmetry feature amount (two slopes S (bc) and S (fg)) of the edge portion of the pseudo mark 47, the position (Xw, Yw) and the position (Xs, Ys) of the observation region 45 are obtained. ), The amount of displacement (δ) between the pseudo mark 47 and the base mark 41 is estimated by the following method.
For estimating the amount of displacement (δ), four estimation formulas are stored in the memory of the control computer 20 in advance. Each of the four estimation formulas has the position (Xw, Yw) of the observation area 45 in the wafer 11 and the asymmetric feature value (two The gradients S (bc) and S (fg)) are variables, and the relationship between these variables and the displacement (δ) is shown. K0, k1, k2, k3, and k4 in equation (1) are predetermined coefficients.
[0041]
δ = k0 + k1 · Xw + k2 · Yw + k3 · S (bc) + k4 · S (fg) (1)
In addition, each of the four estimation equations usually has different values of coefficients k0, k1, k2, k3, and k4. The position (Xs, Ys) of the observation area 45 in the shot area 21, that is, the memory in the control computer 20 is associated with each of the four overlay marks 30 A to 30 D (FIG. 2B). Is stored in
[0042]
Therefore, the control computer 20 first selects one of the four estimation expressions in the memory based on the position (Xs, Ys) of the observation area 45 acquired from the image processing device 19. Then, the position (Xw, Yw) of the observation region 45 and the asymmetric feature amount (two slopes S (bc) and S (fg)) obtained from the image processing device 19 are substituted into the variables of the selected estimation formula. By doing so, the displacement amount (δ) is estimated.
[0043]
That is, the control computer 20 uses a different estimation formula for the position (Xs, Ys) of the observation region 45 in the shot region 21, that is, for each of the four overlay marks 30A to 30D (FIG. 2B). The position deviation (δ) is estimated.
Here, if the positions (Xs, Ys) in the shot areas 21 are the same, the superposition marks 30 formed in the different shot areas 21 are in the state of formation of the material film 42 covering the base marks 41. Are likely to be common. Therefore, it is considered that the shape (asymmetry) of the edge portion of the pseudo mark 47 raised on the surface 42a of the material film 42 and the positional deviation amount (δ) of the pseudo mark 47 tend to be common.
[0044]
Conversely, if the positions (Xs, Ys) in the shot areas 21 are different, the registration marks 30 formed in the different shot areas 21 are different in the state of formation of the material film 42 covering the base marks 41. It is considered that there is no common tendency between the shape (asymmetry) of the edge portion of the pseudo mark 47 protruding on the surface 42a of the material film 42 and the positional deviation (δ) of the pseudo mark 47.
[0045]
Therefore, in the present embodiment, it is considered that the positional deviation amount (δ) of the pseudo mark 47 depends on the position (Xs, Ys) in the shot area 21 and, as described above, differs for each position (Xs, Ys). The displacement amount (δ) is estimated using the estimation formula. As a result, the accuracy of estimating the amount of displacement (δ) can be reliably improved.
Next, the procedure for creating four estimation expressions (see expression (1)) different for each position (Xs, Ys) in the shot area 21 will be described. In preparing the estimation formula, a test wafer is placed on the inspection stage 12 of the overlay inspection device 10. It is assumed that overlay marks similar to the overlay marks 30A to 30D (FIG. 2B) of the wafer 11 are formed at the four corners of the n shot areas 21 on the test wafer.
[0046]
In addition, as shown in FIG. 3B, each overlay mark on the test wafer is in a state where the underlying mark is covered with the material film. In this state, the observation areas including the respective overlay marks are sequentially positioned within the field of view of the overlay inspection apparatus 10 and are taken into the image processing apparatus 19 as images.
Then, similarly to the above-described overlay inspection on the wafer 11, the image processing apparatus 19 determines the position Tri of the registration mark, the position Tgi of the pseudo mark, and the asymmetry of the edge shape of the pseudo mark in each overlay mark of the test wafer. Sex features (two slopes S (bc) i, S (fg) i) are detected (i = 1, 2,..., N). These detection results are associated with the position (Xwi, Ywi) of the observation area in the test wafer and the position (Xsi, Ysi) in the shot area, and are stored in the memory in the control computer 20.
[0047]
Next, in order to directly detect the position Tsi of the base mark in each overlay mark on the test wafer, the material film of the test wafer is actually etched (the state of FIG. 6). Then, the test wafer after the etching is mounted on the inspection stage 12 again, and similarly, the image of each overlay mark is captured.
At this time, an edge portion related to the uneven structure of the base mark itself appears in the captured image. Therefore, the image processing device 19 can directly detect the position Tsi of the base mark in each overlay mark (i = 1, 2,..., N). The position Tri of the registration mark is also detected in the same manner. These detection results are also associated with the position (Xwi, Ywi) of the observation area in the test wafer and the position (Xsi, Ysi) in the shot area, and are stored in the memory in the control computer 20.
[0048]
Then, on the basis of the difference between the position Tgi of the pseudo mark detected using the test wafer and the position Tsi of the base mark, the control computer 20 sets the position shift amount (Xwi, Ywi) within the test wafer for each position (Xwi, Ywi). Tgi−Tsi) is calculated.
The displacement (Tgi-Tsi) is a two-dimensional vector quantity in the surface of the wafer 11, and has a distribution as shown in FIG. 7A, for example. In FIG. 7A, the starting point of each vector corresponds to the position of the observation area. FIG. 7A shows the displacement (Tgi-Tsi) of each of the overlay marks 30A to 30D formed at the four corners of each of the 15 shot areas. The horizontal axis in FIG. 7A represents the length (nm) of each vector in the X direction, and the vertical axis represents the length (nm) in the Y direction.
[0049]
Further, the above-mentioned positional deviation amount (Tgi−Tsi) corresponds to the difference between the overlay deviation amount ΔBi before etching and the overlay deviation amount ΔAi after etching. The overlay deviation amount ΔBi before etching is a difference between the position Tri of the registration mark and the position Tgi of the pseudo mark detected in the state of FIG. The overlay deviation amount ΔAi after the etching is a difference between the position Tri of the resist mark and the position Tsi of the base mark detected in the state of FIG.
[0050]
When the vector distribution of the positional deviation amount (Tgi-Tsi) shown in FIG. 7A is represented using the overlay deviation amounts ΔBi and ΔAi before and after etching, for example, FIGS. 7B and 7C are obtained. . 7B and 7C, the horizontal axis represents the magnitude (x, y) of the overlay deviation amount ΔAi after etching, and the vertical axis represents the magnitude (x, y) of the overlay deviation amount ΔBi before etching. ).
[0051]
In each of FIGS. 7B and 7C, the 45 ° line at the center represents an ideal case where the magnitudes (x, y) of the overlay deviation amounts ΔBi, ΔAi before and after etching match. As described above, when the shape of the edge portion of the pseudo mark is asymmetric (FIG. 4B), the overlay deviation amounts ΔBi and ΔAi before and after etching do not match, and FIGS. 7B and 7C As shown in ()), the measurement point greatly deviates from the ideal 45 ° line.
[0052]
The amount of deviation from the 45 ° line in FIG. 7B corresponds to the length of the displacement (Tgi−Tsi) in FIG. 7A in the X direction. Similarly, the amount of deviation from the 45 ° line in FIG. 7C corresponds to the length in the Y direction of the displacement (Tgi−Tsi) in FIG. 7A.
In order to correct these deviation amounts and place each measurement point on the 45 ° line, the control computer 20 calculates the position shift amount (Tgi-Tsi) as the asymmetry characteristic amount of the shape of the edge portion of the pseudo mark. Assuming that this is expressed by a linear combination of (two slopes S (bc) i, S (fg) i) and a position (Xwi, Ywi) on the test wafer, the following relational expression (2) is obtained. (I = 1, 2,..., N). k0, k1, k2, k3, and k4 are unknown coefficients.
[0053]
Tgi−Tsi = k0 + k1 · Xwi + k2 · Ywi + k3 · S (bc) i + k4 · S (fg) i (2)
Further, as described above, if the positions (Xsi, Ysi) in the shot area are the same, the shape (asymmetry) and the position of the edge part of the pseudo mark are different between the overlay marks formed in the different shot areas. It is considered that the shift amount (Tgi-Tsi) has a common tendency (regularity).
[0054]
Therefore, the control computer 20 selects one of the above-mentioned relational expressions (2) having the same position (Xsi, Ysi) in the shot area, and measures the measured value “Tgi” included in the selected relational expression (2). , Tsi, Xwi, Ywi, S (bc) i, S (fg) i ”(i∈ [1, 2,... N]), and unknown coefficients k0, k1, k2, k3 by multiple regression analysis. , K4.
[0055]
In the present embodiment, the values of the coefficients k0, k1, k2, k3, and k4 are determined for each of the overlay marks 30A to 30D (FIG. 2B) in the shot area by the multiple regression analysis from the above-described relational expression (2). After the calculation, the estimation formula (equation (1)) for the displacement amount (δ) is determined. For this reason, four estimation formulas are stored in the memory in the control computer 20 in association with the overlay marks 30A to 30D in the shot area.
[0056]
As described above, in the overlay inspection apparatus 10 of the present embodiment, the estimation formula (equation (1)) for the positional deviation amount (δ) is determined prior to the overlay inspection for the wafer 11 and stored in the memory. Therefore, the control computer 20 first selects one of the four estimation expressions in the memory based on the position (Xs, Ys) of the observation area 45 acquired from the image processing device 19.
[0057]
Then, the position (Xw, Yw) of the observation region 45 and the asymmetric feature amount (two slopes S (bc) and S (fg)) obtained from the image processing device 19 are substituted into the variables of the selected estimation formula. I do. As a result, the amount of displacement (δ) between the pseudo mark 47 and the base mark 41 can be accurately estimated.
Further, the control computer 20 calculates a difference between the position Wr of the registration mark 44 and the position Wg of the pseudo mark 47 which have already been detected by the image processing device 19. This difference (Wr-Wg) corresponds to the overlay deviation amount ΔB before etching the material film 42 (the state shown in FIG. 3B).
[0058]
Then, by correcting the overlay deviation amount ΔB before etching based on the above-described highly accurate estimation result (positional deviation amount δ), the overlay deviation amount ΔB of the registration mark 44 with respect to the base mark 41 (= Wr− Wg + δ) is detected. As a result, an accurate detection result of the overlay deviation amount ΔB can be obtained.
Here, the accuracy of the overlay deviation amount ΔB after correction based on the highly accurate estimation result (positional deviation amount δ), that is, the detection result by the overlay inspection apparatus 10 of the present embodiment, will be examined. For this examination, the material film 42 of the wafer 11 is actually etched as in the case of the test wafer described above (the state of FIG. 6). Then, an image of each overlay mark 30 on the wafer 11 after the etching is captured.
[0059]
In the captured image, an edge portion related to the uneven structure of the base mark 41 itself appears. Therefore, the image processing device 19 directly detects the position Ts of the base mark 41 in each overlay mark 30, detects the position Tr of the registration mark, and outputs the detection result to the control computer 20. Further, the control computer 20 calculates the overlay displacement amount ΔA after the etching based on the difference between the position Tr of the registration mark and the position Ts of the base mark 41.
[0060]
Whether the detection result by the overlay inspection apparatus 10 of the present embodiment (the overlay deviation amount ΔB before etching and after correction) matches the overlay deviation amount ΔA after etching obtained in this manner. No is as shown in FIGS. 8 (a) to 8 (c). Each position of the observation region in FIG. 8A is the same as that in FIG. 7A. The vertical and horizontal axes in FIGS. 8A to 8C are the same as those in FIGS. 7A to 7C.
[0061]
As can be seen by comparing FIGS. 8 (b) and 8 (c) with FIGS. 7 (b) and 7 (c), FIGS. 8 (b) and 8 (c) show an ideal 45 ° line at each measurement point. The amount of deviation from is small. This is because an accurate detection result of a value close to the overlay deviation amount ΔA after etching is corrected by correcting the overlay deviation amount ΔB before etching based on the above-described highly accurate estimation result (positional deviation amount δ). Means obtained.
[0062]
This can be understood by comparing FIG. 8A and FIG. 7A. FIG. 8A shows the difference between the overlay deviation amount ΔB before and after the correction and the overlay deviation amount ΔA after the etching as a vector distribution in the surface of the wafer 11. Each vector is shorter in FIG. 8A. This means that an accurate detection result can be obtained by the correction based on the above-described highly accurate estimation result (position shift amount δ).
[0063]
In FIGS. 8B and 8C, the maximum values of the deviations of the measurement points from the 45 ° line are 51.88 (nm) and 45.43 (nm), and the standard deviation is 24.43 (nm). 21 (nm) and 14.03 (nm). On the other hand, in FIGS. 7B and 7C, the maximum values are 149.14 (nm) and 105.02 (nm), and the standard deviations are 60.67 (nm) and 48.78 (nm). ). From these numerical values, it can be seen that an accurate detection result can be obtained by the correction based on the above-described highly accurate estimation result (position shift amount δ).
[0064]
As described above, in the present embodiment, since the overlay deviation amount ΔB between the base mark 41 and the registration mark 44 can be accurately detected, the edge of the pseudo mark 47 can be detected when the base mark 41 is covered with the material film 42. Even if the shape of the portion is asymmetric, the state of superposition of the base pattern and the resist pattern can be inspected with high accuracy.
Further, since the accuracy of the overlay inspection is improved, the yield of products can be substantially improved. Further, it is possible to cope with high integration of semiconductor elements and liquid crystal display elements. In the correction based on the displacement amount δ, the number of images to be captured does not change, so that the processing time is increased by the time required for the calculation time, and the inspection speed is hardly changed as compared with the conventional overlay inspection apparatus. There are benefits too.
[0065]
In the embodiment described above, the position (Xw, Yw) of the observation region 45 in the wafer 11 and the shape of the edge portion of the pseudo mark 47 are used as variables of the estimation formula of the displacement amount, as in Expression (1). Although the asymmetric feature amount (two slopes S (bc) and S (fg)) is used, the present invention is not limited to this example. As the asymmetry feature, gradients S (ab), S (gh) or gradients S (cd), S (ef) may be used instead of gradients S (bc), S (fg). . These slopes S (ab), S (bc), S (cd), S (ef), S (fg), and S (gh) may be arbitrarily combined.
[0066]
Further, only the position (Xw, Yw) of the observation region 45 in the wafer 11 or only the asymmetric feature value may be used as a variable of the estimation formula of the displacement amount. In addition, the position (Xs, Ys) of the observation region 45 in the shot region 21 can be used as a variable of the estimation formula of the displacement amount.
In the above-described embodiment, the position shift amount (δ) is estimated using a different estimation formula for each position (Xs, Ys) of the observation region 45 in the shot region 21. , The displacement amount (δ) may be estimated using the same estimation formula regardless of the position (Xs, Ys) of the observation area 45. In this case, it is preferable to use the position (Xw, Yw) of the observation region 45 in the wafer 11 as a variable of the estimation formula, and the position (Xw, Yw) may be combined with the asymmetric feature amount.
[0067]
FIG. 9A shows the distribution of the displacement (Tgi-Tsi) at the position of the observation region similar to that of FIG. 7A using a different test wafer from that of FIG. 7A. It is shown. The vertical and horizontal axes in FIGS. 9A to 9C are the same as those in FIGS. 7A to 7C.
FIG. 10A shows an example in which the displacement amount (δ) is estimated using the same estimation formula regardless of the position (Xs, Ys) of the observation region 45 in the shot region 21 as described above. That is, the position (Xw, Yw) of the observation region 45 in the wafer 11 and the asymmetric feature amount (four slopes) of the shape of the edge portion of the pseudo mark 47 are used as variables, and these variables and the displacement amount ( δ) when one estimation formula expressing the relationship is used. Each position of the observation area in FIG. 10A is the same as that in FIG. 9A. The vertical and horizontal axes in FIGS. 10A to 10C are the same as those in FIGS. 9A to 9C.
[0068]
Also in this case, as shown in FIGS. 9 and 10, the positional deviation (δ) between the pseudo mark 47 and the base mark 41 can be accurately estimated over the entire surface of the wafer 11, and the overlay deviation ΔB can be accurately determined. A detection result can be obtained. This is because, as shown in FIG. 9A, when the amount of displacement is radially distributed from the center of the wafer to the outer periphery, the amount of displacement is determined by the position of the observation area 45 in the shot area 21. This is because the position (Xw, Yw) of the observation region 45 in the wafer 11 is more affected than (Xs, Ys).
[0069]
Further, in the above-described embodiment, the image processing device 19 and the control computer in the overlay inspection device 10 estimate the positional deviation amount (δ) between the pseudo mark 47 and the base mark 41 and detect the overlay deviation amount ΔB. However, the same effect can be obtained even when an external computer connected to the overlay inspection apparatus 10 is used.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to inspect the state of superposition of a base pattern and a resist pattern with high accuracy while the base mark is covered with the material film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an overlay inspection apparatus 10 of the present embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a shot area 21 of a wafer 11;
FIG. 3 is a diagram illustrating an overlay mark 30 in a shot area 21.
4A and 4B are diagrams illustrating a case where the shapes of the concave portions 47a and 47b of the pseudo mark 47 are symmetric (a) and a case where the shapes are asymmetric (b).
FIG. 5 is a diagram illustrating a change in luminance of an image of an overlay mark 30;
FIG. 6 is a diagram illustrating a state after etching a material film.
FIG. 7 is a diagram for explaining an overlay displacement amount (before correction) detected on a wafer 11 before and after etching a material film 42;
FIG. 8 is a diagram for explaining an overlay displacement amount (after correction) detected on the wafer 11 before and after etching the material film 42, respectively.
FIG. 9 is a diagram for explaining an overlay displacement amount (before correction) detected on a wafer 11 before and after etching a material film 42;
FIG. 10 is a diagram for explaining an overlay displacement amount (after correction) detected on the wafer 11 before and after etching the material film 42, respectively.
[Explanation of symbols]
10 Overlay inspection device
11 Wafer
12 Inspection stage
13 Light source
14 Illumination lens
15 Prism
16 Objective lens
17 Imaging lens
18 CCD image sensor
19 Image processing device
20 Control computer
21 shot area
30 overlay mark
41 Base mark
42 Material film
44 Registration mark
45 Observation area
47 pseudo mark

Claims

The superposed state of the pattern formed on the first layer and the pattern formed on the second layer in a shot region where a film is formed on the first layer and the second layer is formed on the film. In overlay inspection equipment to inspect,
Imaging means for capturing an image of a mark area where the first mark formed on the first layer and the second mark formed on the second layer are located, and outputting a signal relating to the image of the mark area;
Detection of detecting the position of the second mark based on the position of an edge portion appearing in the image of the mark area, and detecting the position of a pseudo mark raised on the surface of the film corresponding to the first mark. Means,
Estimating means for estimating a positional shift amount between the pseudo mark and the first mark based on a position of the mark area in the shot area;
An overlay inspection apparatus, comprising: a calculating unit that calculates an overlay deviation amount between the first mark and the second mark based on a detection result by the detection unit and an estimation result by the estimation unit. .

The overlay inspection apparatus according to claim 1,
The overlay inspection apparatus, wherein the estimating means uses a different estimation formula for each position of the mark area in the shot area, and estimates the position shift amount according to the estimation formula.

The overlay inspection apparatus according to claim 2,
The estimation formula uses a variable that characterizes the position of the mark region in the test substrate including the shot region and / or the asymmetry of the luminance change of the edge portion related to the pseudo mark as a variable. This is an equation representing the relationship with the displacement amount,
The overlay inspection apparatus, wherein the estimating means estimates the value of the variable before estimating the amount of displacement, and substitutes the value into the estimation formula to estimate the amount of displacement.

The superposed state of the pattern formed on the first layer and the pattern formed on the second layer in a shot region where a film is formed on the first layer and the second layer is formed on the film. In overlay inspection equipment to inspect,
Imaging means for capturing an image of a mark area where the first mark formed on the first layer and the second mark formed on the second layer are located, and outputting a signal relating to the image of the mark area;
Detection of detecting the position of the second mark based on the position of an edge portion appearing in the image of the mark area, and detecting the position of a pseudo mark raised on the surface of the film corresponding to the first mark. Means,
Estimating means for estimating a positional shift amount between the pseudo mark and the first mark based on a position of the mark area in the test substrate in which the shot area is formed,
An overlay inspection apparatus comprising: a calculation unit that calculates an overlay displacement amount between the first mark and the second mark based on a detection result by the detection unit and an estimation result by the estimation unit. apparatus.

The overlay inspection apparatus according to claim 4,
The overlay inspection apparatus, wherein the estimation unit takes into account an amount characterizing the asymmetry of luminance change of the edge portion related to the pseudo mark when estimating the positional deviation amount.

The superposed state of the pattern formed on the first layer and the pattern formed on the second layer in a shot region where a film is formed on the first layer and the second layer is formed on the film. In the overlay inspection method to inspect,
An imaging step of capturing an image of a mark area where the first mark formed on the first layer and the second mark formed on the second layer are located, and outputting a signal related to the image of the mark area;
Detection of detecting the position of the second mark based on the position of an edge portion appearing in the image of the mark area, and detecting the position of a pseudo mark raised on the surface of the film corresponding to the first mark. Process and
An estimating step of estimating a positional shift amount between the pseudo mark and the first mark based on a position of the mark area in the shot area;
A calculation step of calculating an overlay displacement amount between the first mark and the second mark based on a detection result in the detection step and an estimation result in the estimation step. .

The overlay inspection method according to claim 6,
The overlay inspection method, wherein in the estimating step, a different estimation formula is used for each position of the mark area in the shot area, and the displacement amount is estimated according to the estimation formula.

The superposed state of the pattern formed on the first layer and the pattern formed on the second layer in a shot region where a film is formed on the first layer and the second layer is formed on the film. In the overlay inspection method to inspect,
An imaging step of capturing an image of a mark area where the first mark formed on the first layer and the second mark formed on the second layer are located, and outputting a signal related to the image of the mark area;
Detection of detecting the position of the second mark based on the position of an edge portion appearing in the image of the mark area, and detecting the position of a pseudo mark raised on the surface of the film corresponding to the first mark. Process and
An estimation step of estimating an amount of misalignment between the pseudo mark and the first mark based on a position of the mark area in the test substrate on which the shot area is formed;
A registration step of calculating a registration shift amount between the first mark and the second mark based on a detection result in the detection step and an estimation result in the estimation step. Method.