JP2015099054A - オーバーレイ計測方法および計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体デバイスの製造において、実際のデバイスの回路パターンが形成される領域におけるオーバーレイを、簡便かつ頑健に計測できるようにする。
【解決手段】複数回の露光工程により回路パターンが形成された半導体デバイスを対象に、複数の露光工程の間のオーバーレイを計測する方法において、半導体デバイスの指定された計測座標位置における計測画像を撮像し、半導体デバイスの指定された計測座標位置に形成されている回路パターンに対応する複数枚のテンプレート画像と複数枚のテンプレート画像の各々とオーバーレイを結び付けて予め記憶しておいた画像ライブラリを読み込み、読み込んだ画像ライブラリに含まれる複数枚のテンプレート画像それぞれと計測画像との類似度を算出し、算出した複数枚のテンプレート画像それぞれと計測画像との類似度に基づいて計測画像におけるオーバーレイを計測するようにした。
【選択図】 図６

Description

本発明は半導体ウェハの製造中において生じるオーバーレイを計測する方法およびその装置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および装置に関するものである。

一般的に半導体製品は、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である。例えば、複数層の回路パターンからなる半導体製品の製造では、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。また、近年では微細な回路パターンを密度高く形成するためにダブルパターニングが行われている。

半導体製造においては、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を許容される範囲内に合わせることが重要となる。許容範囲内に収まらない場合、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位置合わせずれ量（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。

オーバーレイ計測を行うための方法として、ウェハ上に計測用の回路パターンを形成し、光学顕微鏡を用いて計測用パターンの画像を撮像し、画像から得られる信号波形からオーバーレイ計測を行う方法が特許文献１に記載されている。計測用パターンは数十μｍ程度の大きさが必要であるため、半導体ダイ周辺のスクライブライン上に形成されるのが一般的である。そのため、実際のデバイスの回路パターン（実パターン）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はできず、補間などにより推定する必要がある。しかし、近年の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、必要な計測精度を得ることが困難となっている。

走査型電子顕微鏡を用いて実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許文献２、特許文献３、特許文献４および非特許文献１に記載されている。特許文献２および特許文献３には撮像画像から抽出された回路パターンの輪郭情報と、計測対象試料の設計情報（ＣＡＤデータ）を比較することによりオーバーレイを計測する手法が記載されている。また、特許文献４は第１の露光により形成される回路パターンと、第２の露光により形成される回路パターンの相対的位置を算出し、相対的位置をＣＡＤデータより得られる基準値と比較することによりオーバーレイを計測する手法が記載されている。また、非特許文献１には複数回の露光工程により形成される各回路パターン領域を個別に認識し、良品画像との位置ずれ量を個別に定量化することにより、オーバーレイを計測する手法が記載されている。

米国特許７１８１０５７号公報 特開２００６−３５１８８８号公報 特開２０１２−１１２９７４号公報 特開２０１１−１４２３２１号公報

Jaehyoung Oh、 et al.、 "In-die overlay metrology method using defect review SEM images"、 Proc. of SPIE Vol.8681、868111、 2013

本発明は実パターン上でのオーバーレイ計測を可能とするものである。

図４Ａ乃至図４Ｃは、オーバーレイの計測対象である実パターン例を表した模式図である。図４Ａのレイアウト画像４０１は試料の一領域における実パターンの設計情報を表したものであり、第１の露光により形成されるパターン４０２と第２の露光により形成されるパターン４０３のレイアウトを示している。また、図４Ｂの画像４０６及び画像４１１は、それぞれ回路パターンを撮像したＳＥＭ画像の模式図である。図４Ｃの断面４０７は図４Ｂの画像４０６のラインＡ−Ｂにおける断面形状を表した図であり、層４０８と、第１の露光により形成されるパターン４０９と、第２の露光により形成されるパターン４１０の上下関係を表している。、図４Ｃの断面４１４は、図４Ｂの画像４１１のラインＣ−Ｄにおける断面形状を表した図であり、断面４０７と同様な断面形状をもつが、第２の露光により形成されるパターン４１２が、第１の露光により形成されるパターン４１３に対し、ｘ方向にｄｘ（４１４）だけずれて形成された場合を表している。

簡便なオーバーレイ計測方法としては、各露光工程において形成される回路パターン間のエッジ距離を計測し、エッジ間の距離をもとにオーバーレイを計測する方法がある。

図４Ａに示した場合においては、オーバーレイｄｘは左側のエッジ間距離４０４（ｄＬ）と、右側のエッジ間距離４０５（ｄＲ）が計測可能であれば（数１）により算出可能である（ｘ方向を例に説明したがｙ方向についても同様）。ただし、実際には図４Ｂの撮像画像４０６において第１の露光により形成されるパターン４０２１の一部が第２の露光により形成されるパターン４０３１により遮蔽されるため、エッジ間距離を算出することが不可能となる。

他の方法としては、前述のとおり前記特許文献２、特許文献３、特許文献４および非特許文献１に実パターンを撮像した画像を用いてオーバーレイを計測する手法が記載されている。

特許文献２および特許文献３に記載のオーバーレイ計測手法は、撮像画像から回路パターンの輪郭情報を抽出し、試料の設計情報（ＣＡＤデータ）との位置ずれ量を計測することによりオーバーレイを計測している。そのため、回路パターンの境界が不明瞭な場合など輪郭情報を安定に抽出困難な場合には、計測安定性が低下する。

また、特許文献４に記載のオーバーレイ計測は、回路パターンの相対位置を算出しており、回路パターンの形成不良などにより回路パターンの一部が消失した場合などに計測安定性が低下する。

また、非特許文献１に記載のオーバーレイ計測は、撮像画像から濃淡情報をもとに回路パターンの領域認識を行っており、前述の様に回路パターンの境界が不明瞭な場合や濃淡コントラストが低い場合には、計測安定性が低下する。

以上のように、先行技術では安定にオーバーレイを計測することが困難な場合が存在する。そこで本発明は、安定かつ高精度にオーバーレイを計測する手法および装置について提供する。

上記課題を解決するために、本発明では、
複数回の露光工程により回路パターンが形成された半導体デバイスを対象に、前記露光工程の間のオーバーレイを計測する方法において、半導体デバイスの指定された計測座標位置における計測画像を撮像するステップと、半導体デバイスの指定された計測座標位置に形成されている回路パターンに対応する複数枚のテンプレート画像とこの複数枚のテンプレート画像の各々とオーバーレイを結び付けて予め記憶しておいた画像ライブラリを読み込むステップと、この読み込んだ画像ライブラリに含まれる複数枚のテンプレート画像それぞれと計測画像との類似度を算出するステップと、この算出した複数枚のテンプレート画像それぞれと計測画像との類似度に基づいて計測画像におけるオーバーレイを計測するステップを備えてオーバーレイを計測するようにした。

また、上記課題を解決するために、本発明では、複数回の露光工程により回路パターンが形成された半導体デバイスを対象に、複数の露光工程の間のオーバーレイを計測する装置を、半導体デバイスの指定された計測座標位置における計測画像を撮像する手段と、半導体デバイスの指定された計測座標位置に形成されている回路パターンに対応する複数枚のテンプレート画像とこの複数枚のテンプレート画像の各々のオーバーレイとを結び付けて画像ライブラリとして記憶する手段と、この記憶する手段に記憶された画像ライブラリに含まれる複数枚のテンプレート画像と撮像する手段で撮像して得た計測画像の類似度を算出する手段と、この算出する手段で算出した複数枚のテンプレート画像との類似度に基づいて計測画像におけるオーバーレイを計測する手段とを備えて構成した。

本発明によれば、撮像画像において回路パターンの境界が不明瞭な場合や、濃淡コントラストが低い場合においても、実パターン上におけるオーバーレイを安定かつ高精度に計測する手法および装置について提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

オーバーレイ計測装置の構成図である。 オーバーレイ計測装置の制御部および記憶部、演算部の構成図である。 チップ座標系を表したグラフである。 ウェハ座標系を表したグラフである。 実パターンの設計情報を表わした実パターンの平面図である。 回路パターンのＳＥＭ画像の模式図である。 ＳＥＭ画像のＡ−Ｂ断面及びＣ−Ｄ断面を示す断面図である。 オーバーレイ計測対象のＳＥＭ画像とＡ−Ｂ断面図である。 オーバーレイ計測対象のＳＥＭ画像とＣ−Ｄ断面図である。 オーバーレイ計測対象のＳＥＭ画像とＥ−Ｆ断面図である。 オーバーレイ計測対象のＳＥＭ画像とＧ−Ｈ断面図である。 オーバーレイ計測処理のフロー図である。 オーバーレイ計測処理にかかる演算部の構成を表したブロック図である。 ウェハ上の指定された計測座標の画像を撮像する処理のフロー図である。 各テンプレート画像に対する類似度の分布を算出した結果を示すグラフである。 関心領域の設定例を示すパターンの平面図である。 関心領域を設定する処理のフロー図である。 関心領域を拡張する必要性について説明するパターンの平面図である。 各関心領域について算出したオーバーレイから計測画像のオーバーレイを算出するフロー図である。 設計情報を用いた画像ライブラリの作成処理のフロー図である。 設計情報を用いた画像ライブラリの作成処理のフロー図である。 画像ライブラリのデータ構造を表形式で示した図である。 計測座標を指定するインターフェースの一例を表した画面の正面図である。 計測条件を指定するインターフェースの一例を表した画面の正面図である。 計測結果を表示するインターフェースの一例を表した画面の正面図である。 画像ライブラリの作成条件を指定するインターフェースの一例を表した画面の正面図である。 画像ライブラリの作成にかかるウェハを作成する際のオーバーレイ作り込み条件の例を表したウェハの平面図である。 オーバーレイを意図的に作り込んだウェハをもとに画像ライブラリを作成する処理のフロー図である。 ユーザが基準画像上で指定した関心領域をもとに、計測画像における関心領域を設定する処理のフロー図である。 ユーザが基準画像上で関心領域を設定するためのインターフェースの一例を表した画面の正面図である。

本発明は、オーバーレイ計測方法及び計測装置において、試料の計測座標位置を撮像して計測画像を得、オーバーレイと画像を結び付けて記憶した画像ライブラリに含まれる各テンプレート画像と計測画像の類似度を算出し、各テンプレート画像との類似度に基づいて計測画像におけるオーバーレイを計測するようにして、安定かつ高精度にオーバーレイを計測するようにしたものである。

以下に、本発明に関わるオーバーレイ計測装置の実施例を、図面を用いて説明する。

本実施例では走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を備えた撮像装置で撮像した画像を用いてオーバーレイ計測を行う場合を対象に説明するが、本発明に関わる撮像装置はＳＥＭ以外でも良く、イオンなどの荷電粒子線を用いた撮像装置でも良い。

図１は本実施例にかかるオーバーレイ計測装置１００の構成図を表しており、画像の撮像を行うＳＥＭ１０１と、全体の制御を行う制御部１０２、磁気ディスクや半導体メモリなどに情報を記憶する記憶部１０３、プログラムに従い演算を行う演算部１０４、装置に接続された外部の記憶媒体との情報の入出力を行う外部記憶媒体入出力部１０５、ユーザとの情報の入出力を制御するユーザインターフェース部１０６、ネットワークを介して他の装置などと通信を行うネットワークインターフェース部１０７からなる。また、ユーザインターフェース部１０６には、キーボードやマウス、ディスプレイなどから構成される入出力端末１１３が接続されている。

ＳＥＭ１０１は、試料ウェハ１０８を搭載する可動ステージ１０９、試料ウェハ１０８に電子ビームを照射するため電子源１１０、電子ビームが照射された試料ウェハ１０８から発生した２次電子や反射電子などを検出する検出器１１１の他、電子ビームを試料上に収束させる電子レンズ（図示せず）や、電子ビームを試料ウェハ上で走査するための偏向器（図示せず）や、検出器１１１からの信号をデジタル変換してデジタル画像を生成する画像生成部１１２等を備えて構成される。なお、これらはバス１１４を介して接続され、相互に情報をやり取りすることが可能である。

図２に制御部１０２、記憶部１０３、演算部１０４の詳細な構成を示す。制御部１０２は試料ウェハ１０８の搬送を制御するウェハ搬送制御部２０１、可動ステージ１０９の制御を行うステージ制御部２０２、電子源１１０から発射された電子ビームの試料ウェハ１０８上の照射位置を制御するビームシフト制御部２０３、電子源１１０から発射された電子ビームの試料ウェハ１０８上の走査を制御するビームスキャン制御部２０４を備えている。

記憶部１０３は、電子ビームが照射された試料ウェハ１０８から発生した２次電子や反射電子などを検出器１１１で検出して画像生成部１１２でデジタル変換された画像データを記憶する画像記憶部２０５、撮像条件（例えば、加速電圧やプローブ電流、加算フレーム数、撮像視野サイズなど）や処理パラメータなどを記憶するレシピ記憶部２０６、試料ウェハ１０８上の計測する箇所の座標を記憶する計測座標記憶部２０７、演算部１０４でオーバーレイが算出されたオーバーレイ画像をライブラリ形式で記憶するオーバーレイ画像ライブラリ記憶部２０８、演算部１０４で算出された画像の類似度を記憶する画像類似度記憶部２０９を備えている。

演算部１０４は、検出器１１１からの出力を画像生成部１１２でデジタル変換された撮像画像から関心領域（ＲＯＩ）を設定する関心領域設定部２１０、画像間の類似度を算出する画像類似度算出部２１１、オーバーレイを算出するオーバーレイ算出２１２、画像類似度算出部２１１で算出した画像類似度の分布を評価する類似度分布評価部２１３を備えている。

なお、関心領域設定部２１０、画像類似度算出部２１１、オーバーレイ算出部２１２は各演算を行うように設計されたハードウェアとして構成されても良いほか、ソフトウェアとして実装され汎用的な演算装置（例えばＣＰＵやＧＰＵなど）を用いて実行されるように構成しても良い。

次に、指定された座標の画像を取得するための方法を説明する。
まず、計測対象となる試料ウェハ１０８は、ウェハ搬送制御部２０１の制御によりロボットアーム(図示せず)によりステージ１０９の上に設置される。つぎに、試料ウェハ１０８の設計データに基づいて設定された試料ウェハ１０８上の所望の撮像領域がビームが照射される試料ウェハ１０８のビーム照射範囲内に含まれるように、ステージ制御部２０２によりステージ１０９の位置が制御される。この時、ステージ１０９の移動誤差を吸収するため、ステージ１０９の位置の計測が行われ、ビームシフト制御部２０３により図示していない偏向器が制御されて、移動誤差を打ち消す様に試料ウェハ１０８上のビーム照射位置の調整が行われる。

電子源１１０から発射された電子ビームは、ビームスキャン制御部２０４により制御された図示していない偏向器により撮像視野内において走査される。ビームの照射により試料ウェハ１０８から生じた２次電子や反射電子は検出器１１１で検出され、画像生成部１１２でデジタル画像化される。このデジタル画像化された画像データは、撮像条件や撮像日時、撮像座標などの付帯情報とともに画像記憶部２０５に記憶される。

ここで、本実施例によるオーバーレイ計測の入力のひとつとなる計測座標について説明する。図３Ａは、試料ウェハ１０８上のチップ座標系を、図３Ｂは、試料ウェハ１０８上のチップ３０１とウェハ３０２をウェハ座標系で表したものである。図３Ａのチップ座標系とは、チップ３０１上の一点を原点とした座標系であり、図３Ｂのウェハ座標系とはウェハ３０２を含む平面内の一点を原点とした座標系である。

通常、図３Ｂに示すように、ウェハ３０２の表面にはチップ３０１が複数レイアウトされている。、このウェハ３０２において、位置（ｕ、ｖ）にあるチップにおける＋で示した点の、図３Ｂに示すウェハ座標系におけるウェハ座標（ｘ、ｙ）と、図３Ａに示したチップ座標系における、チップ座標（ｃｘ、ｃｙ）と、の関係は（数２）で表され、相互の変換は容易に行える。ただし、(数２)において、Ｗ、Ｈは１チップの幅と高さ、ｏ_ｘ、ｏ_ｙはオフセットを表す。

（数２）の関係を用いることにより、ユーザはオーバーレイ計測対象のチップ座標（ｃｘ、ｃｙ）と、計測対象チップ位置（ｕ、ｖ）を指定すれば良い。即ち、これらの指定された情報から、（数２）の関係を用いてチップ座標（ｃｘ、ｃｙ）を求めることができる。例えば、チップ座標をｎ点、計測対象チップをｍ箇所指定した場合、計測座標はｎ×ｍ点得られる。

本実施例にかかわるオーバーレイ計測手法は、同一のチップ座標をもつ画像を１グループとして扱う。画像をグルーピングするため、画像撮像時において画像の付帯情報としてチップ座標ごとに割り当てた位置ＩＤ（ＰＩＤ）を付与する（先ほどの例で言えば、位置ＩＤ：１〜ｎ）

つぎに、本実施例で計測するオーバーレイについて再度、図４Ａ乃至図４Ｃを用いて説明する。図４Ａの４０１は試料の一領域における実パターンの設計情報を表したものであり、第１の露光により形成されるパターン４０２と第２の露光により形成されるパターン４０３のレイアウトを示している。また、図４Ｂの画像４０６及び画像４１１は、それぞれ回路パターンを撮像したＳＥＭ画像の模式図である。図４Ｃの断面４０７は、図４Ｂの画像４０６のラインＡ−Ｂにおける断面形状を表した図であり、層４０８と、第１の露光により形成されるパターン４０９と、第２の露光により形成されるパターン４１０の上下関係を表している。

図４Ｃの断面４１４は、図４Ｂの画像４１１のラインＣ−Ｄにおける断面形状を表した図であり、断面４０７と同様な断面形状を持つが、第２の露光により形成されるパターン４１２が、第１の露光により形成されるパターン４１３に対し、ｘ方向にｄｘ（４１４）だけずれて形成された場合を表している。

本実施例にかかわる手法では、計測画像（例えば、図４ＢのＳＥＭ画像４０６）と、オーバーレイと画像を結び付けて記憶した画像ライブラリに含まれる各テンプレート画像（例えば、図４Ａのレイアウト画像４０１）との類似度を算出し、該各テンプレート画像との類似度に基づいて被計測画像におけるオーバーレイを計測する。

なお、オーバーレイは第１の露光により形成されるパターンを基準に第２の露光により形成されるパターンのずれ量を計測しても良いし、第２の露光により形成されるパターンを基準に第１の露光により形成されるパターンのずれ量を計測しても良い。逆にした場合、ずれ量の大きさは変わらないが、算出される値の正負の符号が反転する。また、ここでの第ｎの露光とはｎ回目の露光とは限らず、単に露光工程の違いを表すインデックスである。また、「露光により形成されるパターン」とは、露光工程のみにより形成される回路パターンに限定されるわけではなく、露光工程後のエッチング工程なども含めて形成される回路パターンを指す。

図５Ａ乃至図５Ｄにオーバーレイ計測対象の他の例を示す。図５Ａ乃至図５Ｄの画像５０１〜５０４はＳＥＭ画像と断面構造を模式的に表したものである。図５Ａには、画像５０１と、その下側に画像５０１の線Ａ−Ｂにおける断面図を示す。この断面図における構成は第１の露光により下層膜又はウェハ５１３の上に形成された回路パターン５１０の上に膜５１１と、第２の露光により形成された回路パターン５１２が積層されている様子を表している。このように第１の露光により形成された回路パターンの上に膜が積層されている場合においてもＳＥＭの加速電圧を調整することで第１の露光により形成された回路パターン５１０の形状を観察することが可能である。ただし、膜内部における電子の散乱に起因して、第１の露光により形成される回路パターン５１０の境界部分は不明瞭になることが多い。

また、図５Ｂには、画像５０２と、その下側に画像５０２の線Ｃ−Ｄにおける断面図を示す。この断面図における構成はホール工程の画像を表しており、第２の露光により下層膜５２３の上に形成された回路パターン５２０の開口部５２１から、第１の露光により下層膜５２３に形成された回路パターン５２２が観察されている様子を表している。開口部５２１のアスペクト比が高い場合、穴底５２１２から生じた電子が開口部側壁５２１１により遮蔽され、第１の露光により形成されるパターン５２２のコントラストが低下する場合がある。

図５Ｃには、画像５０３と、その下側に画像５０３の線Ｅ−Ｆにおける断面図を示す。この断面図における構成は第１と第２の露光により、それぞれ下層膜５３３上の絶縁膜５３４に配線５３１とホール５３２を形成した様子を表している。

また、図５Ｄには、画像５０４と、その下側に画像５０４の線Ｇ−Ｈにおける断面図を示す。この断面図における構成は下層膜又はウェハ５４３の上にダブルパターニングにより形成された回路パターン５４１および５４２を表している。ダブルパターニングは第１の露光により回路パターン５４１を形成し、第２の露光により回路パターン５４２を形成することで回路パターンを密度高く形成する技術である。

図５Ｃの画像５０３及びその断面図、並びに図５Ｄの画像５０４及びその断面図に示すように、第１および第２の露光により形成されるパターンが同じ層となる場合、画像濃淡による分離は困難となり、非特許文献１に記載の手法では第１および第２の露光により形成される回路パターン領域を個別に認識することが困難となる。

いずれの場合においても、第１の露光により形成される回路パターンと、第２の露光により形成される回路パターンのオーバーレイ計測が重要である。なお、本実施例によってオーバーレイ計測が可能となる回路パターンの構造はこれらに限ったものではない。例えば、計３回の露光により形成されるパターンが観察される画像においては、各露光間におけるオーバーレイを計測することが可能である。

図６は、本実施例にかかるオーバーレイ計測のフロー図、図７は、オーバーレイ計測に関わる演算部１０４の構成図である。図6に示したオーバーレイ計測フローにおいては、まず、計測箇所を計測座標記憶部２０７から読み出し、レシピ記憶部２０６に記憶されたレシピに従い、制御部１０２でＳＥＭ１０１を制御して、試料ウェハ１０８上の計測箇所の画像（計測画像）を取得する（Ｓ６０１）。取得した画像は付帯情報とともに画像記憶部２０５に逐次記憶される。

ＳＥＭ１０１による試料ウェハ１０８の計測画像の取得後、位置ＩＤごとに処理を行うため、同一の位置ＩＤをもつ画像を抽出する（Ｓ６０２）。なお、位置ＩＤごとの処理順序は任意に設定されても良いし、ユーザが指定した位置ＩＤの画像のみについて処理するようにしても良い。抽出された画像はチップ座標が同じため、本来同一形状となる回路パターンが撮像されている。

次に、位置ＩＤに対応したオーバーレイ画像ライブラリをオーバーレイ画像ライブラリ記憶部２０８から読み込む（Ｓ６０３）。オーバーレイ画像ライブラリとは、オーバーレイが既知のテンプレート画像が複数枚（Ｎ枚）記憶されたライブラリであり、計測に先立ち後述の方法により用意されたものである。次に、関心領域抽出部２１０で計測画像の中からオーバーレイ算出に用いる関心領域（ＲＯＩ）を抽出する（Ｓ６０４、）。

ＲＯＩ抽出後、ｉ番目のＲＯＩ画像切り出し部２１０１でｉ番目のＲＯＩ画像を切り出し（Ｓ６０５１）、ｊ番目のテンプレート画像読込み部２１０２でｊ番目のテンプレート画像を読み込み（Ｓ６０５２）、画像類似度算出部２１１でｉ番目のＲＯＩとｊ番目のテンプレート画像の類似度を算出し（Ｓ６０５、）、画像類似度記憶部２０９に記憶する。

ｉ番目のＲＯＩについてオーバーレイ画像ライブラリに含まれる複数のテンプレートに対して類似度算出が完了した後、類似度分布評価部２１３でｉ番目のＲＯＩについて算出した類似度の分布を評価し、ＲＯＩにおけるオーバーレイを算出する（Ｓ６０６、）。

以上、類似度算出Ｓ６０５および類似度分布評価Ｓ６０６をＳ６０４で抽出した複数のＲＯＩについて繰り返し処理する。そして、各ＲＯＩにおいて算出されたオーバーレイをもとに、オーバーレイ算出部２１２で計測画像におけるオーバーレイを算出する（Ｓ６０７、）。

以上のＳ６０４〜Ｓ６０７の処理がＳＥＭ１０１で取得した試料ウェハ１０８の１枚の計測画像に対する処理の流れである。ＳＥＭ１０１で取得した試料ウェハ１０８の全ての計測画像について以上の処理を繰り返し処理し（Ｓ６０８）、全ての位置ＩＤについてオーバーレイを算出する（、Ｓ６０９）。

以降において、計測画像を取得する処理（Ｓ６０１）、類似度分布を評価する処理（Ｓ６０６）、計測画像からＲＯＩを抽出する処理（Ｓ６０４）、ＲＯＩとテンプレート画像の類似度を算出する処理（Ｓ６０５）、計測画像のオーバーレイを算出する処理（Ｓ６０７）の順で詳細を説明する。

計測画像を取得する処理（Ｓ６０１）の詳細フローを、図8を用いて説明する。まず、計測対象の試料ウェハ１０８をＳＥＭ１０１のステージ１０９上にロードし（Ｓ８０１）、制御部１０２は、試料ウェハ１０８に対応したレシピをレシピ記憶部２０６から読み込む（Ｓ８０２）。次に、制御部１０２は、撮像座標を計測座標記憶部２０７から読み込む（Ｓ８０３）。

撮像座標読み込み後（もしくは並行して）、ウェハアライメントを行う（Ｓ８０４）。ウェハアライメントは、ウェハ座標が既知の回路パターンをＳＥＭ１０１で撮像してこの回路パターンの位置を検出し、オーバーレイ計測装置１００のステージ座標とウェハ座標のずれを補正する処理である。

ウェハアライメント後、前述の方法によりＳＥＭ１０１を制御し、読み込んだ撮像座標位置の試料ウェハ１０８の画像を撮像する（Ｓ８０５）。この時、撮像した画像には撮像条件や撮像日時、撮像座標、位置ＩＤなどを付帯情報として付与して画像記憶部２０５に記憶する。試料ウェハ１０８上の全ての撮像座標について撮像が完了するまで繰り返し行い（Ｓ８０６）、最後にウェハをアンロード（Ｓ８０７）する。

次に、類似度分布評価部２１３で実行する類似度分布を評価する処理（Ｓ６０６）について詳細を説明する。本処理では前段のＳ６０５で画像類似度算出部２１１でＲＯＩと複数のテンプレート画像の類似度を算出した結果得られる類似度分布をもとに類似度が最大となるオーバーレイを算出する。図９に類似度分布の例を示す。横軸はテンプレート画像のインデックス、縦軸はＲＯＩとの類似度である。各テンプレート画像に対してはオーバーレイが関連付けられているため、横軸はオーバーレイ値に変換することが可能であり、オーバーレイ算出部２１２で類似度が最大となる横軸の値を算出することでＲＯＩにおけるオーバーレイを算出することが可能となる。

この時、オーバーレイの値を微小に変化させたテンプレート画像を多数用意すれば算出精度は向上する。しかし、画像類似度算出部２１１で類似度分布算出にかかる処理時間が増大するというトレードオフが生じる。そこで、画像類似度算出部２１１で算出された類似度分布を分布補間部２１３１で補間することにより少数のテンプレート画像から高精度にオーバーレイを算出する。類似度分布を補間する方法としては、パラメトリックなモデル（例えば２次関数などの多項式やガウス分布）を最小二乗法などを用いて当てはめても良いし、スプライン曲線などを当てはめて算出しても良い。その他、一般的な曲線あてはめ方法を用いても良い。

オーバーレイ算出部２１２においては、分布補間部２１３１で補間後の類似度の分布において類似度が最大となる横軸の値からＲＯＩにおけるオーバーレイを算出する。また、本処理では分布の信頼性の算出を行う。後述する前段のＲＯＩ抽出処理における抽出失敗が生じた場合や、対象となるＲＯＩにおけるオーバーレイがオーバーレイ画像ライブラリ記憶部２０７に記憶されているオーバーレイの範囲を超えている場合などは正しいオーバーレイを算出することができない。そこで、本処理では類似度分布の形状などをもとに算出したオーバーレイの信頼性を、信頼性算出部２１３２で算出する。

信頼性算出部２１３２における信頼性算出の簡便な方法としては、類似度の最大値を用いても良いし、類似度の最大値と最小値の差分を評価しても良い。他には、モデルを当てはめた時の誤差をもとに算出しても良いし、分布の単峰性を評価しても良い。また、複数の信頼性評価値を算出しておき、統合して算出する様にしても良い。算出した信頼性は１つ以上のＲＯＩから算出したオーバーレイをもとに計測画像のオーバーレイを算出する処理（Ｓ６０７）において使用する。

次に、関心領域抽出部２１０において、計測画像からＲＯＩを抽出する処理（Ｓ６０２）について詳細を説明する。まず本処理の概要について図１０を用いて説明する。画像１００１はオーバーレイ画像ライブラリに含まれるテンプレート画像１００１の模式図の一例、画像１００２はＳＥＭ１０１で試料ウェハ１０８を撮像して得た計測画像１００２の模式図の一例である。

本処理は、計測画像１００２の視野内からテンプレート画像１００１に含まれるパターンと同様の構造をもつ領域をＲＯＩとして抽出する処理である。計測画像１００２をＲＯＩが複数含まれるように視野広く撮像することで、複数箇所における計測が一度に行えることとなり、各ＲＯＩにおける計測結果を平均すれば視野領域における平均的なオーバーレイを算出することが可能となる。

計測画像１００２の中からＲＯＩを抽出するため、本処理はオーバーレイ画像ライブラリ記憶部２０８に記憶されたオーバーレイ画像ライブラリに含まれるテンプレート画像１００１と類似した領域を計測画像から探索する。

計測画像１００２の位置（ｕ、ｖ）を起点とした幅Ｗ×高さＨの部分画像とｊ番目のテンプレート画像の類似度Ｓｊ（ｕ、ｖ）の算出には例えば、（数３）乃至（数５）により算出される正規化相互相関値を用いれば良い。ただし、Ｉは計測画像、Ｔｊはｊ番目のテンプレート画像、Ｗ、Ｈはそれぞれテンプレート画像の幅と高さを表す。

具体的な処理のフローを図１１に示す。まず、テンプレート画像１００１と計測画像１００２の画素サイズが同一となるようにテンプレート画像１００１または計測画像１００２もしくは両方に拡大縮小処理を適用する（Ｓ１１０１）。次に、計測画像１００２の各画素（ｕ、ｖ）を起点とした部分画像とｊ番目のテンプレート画像との類似度Ｓｊ（ｕ、ｖ）を前述の方法により算出する。ここで、計測画像１００２にはどの程度のオーバーレイが生じているかが不明であるため、オーバーレイ画像ライブラリ記憶部２０８に記憶されているオーバーレイ画像ライブラリに含まれる１つ以上テンプレート画像１００１を用いて類似度Ｓｊ（ｕ、ｖ）を算出する（ループｊ）。

次に、１つ以上のテンプレート画像１００１を用いて算出した類似度Ｓｊ（ｕ、ｖ）を平均化し、平均類似度Ｓ（ｕ、ｖ）を算出する（Ｓ１１０３）。最後に平均類似度Ｓ（ｕ、ｖ）において所定のしきい値以上となる（ｕ、ｖ）をＲＯＩの起点座標として選択する（Ｓ１１０４）。なお、類似度を計算する前に、計測画像またはテンプレート画像もしくは両方に平滑化フィルタ、エッジ抽出フィルタ、コントラスト変換などの画像処理を前処理として適用しても良い。

また、類似度は上述した正規化相互相関以外の評価値を用いても良い。例えば、画像から特徴的な濃淡変動をもつ局所領域をキーポイントとして抽出しておき、キーポイント同士の類似性を評価しても良い。または画像を特徴量空間に射影し、特徴量空間における距離を評価値としても良い。また、類似度は画像濃淡の差分値などの不一致度をもとに算出しても良いし、不一致度が所定のしきい値以下になる領域を抽出するようにしても良い。

次に、画像類似度算出部２１１においてＲＯＩとテンプレート画像の類似度を算出する処理（Ｓ６０５）について詳細を説明する。本処理では対象となるＲＯＩについてオーバーレイ画像ライブラリ記憶部２０８に記憶されているオーバーレイ画像に含まれる各テンプレート画像との類似度を算出する。このとき、ＲＯＩの算出誤差の影響を排除するため、ＲＯＩのサイズを拡張し、拡張したＲＯＩの中で類似度の最大値を探索する。

図１２はＲＯＩ拡張の必要性を示した図であり、計測画像１２０１とＲＯＩ（１２０３）の設定結果例を示している。テンプレート画像１２０５に対して類似度が高くなる位置１２０６はＲＯＩ（１２０３）の起点１２０２からずれた位置にある。このずれはＲＯＩ算出時において使用した１つ以上のテンプレート画像のうち類似度が高くなったテンプレート画像１２０７と、本処理における比較対象であるｊ番目のテンプレートのオーバーレイに起因したものである。そのため、ＲＯＩ（１２０３）のサイズを拡張し、拡張したＲＯＩ（１２０４）の中で類似度の最大値を探索する必要がある。拡張するサイズは全テンプレート画像に対して一定で良く、オーバーレイ画像ライブラリに含まれるオーバーレイの範囲をもとに設定すれば良い。

なお、本処理で算出する類似度は前述のＲＯＩ算出処理の説明において述べた評価値のうち、いずれのものを用いても良い。また、画像濃淡の差分値などの不一致度を用いて、最小となる不一致度を探索しても良い。この場合は、図９に示した類似度分布に相当する分布は、下に凸となる形状になり、不一致度が最小なる横軸の位置をオーバーレイとして算出すれば良い。

最後に、計測画像のオーバーレイを算出する処理（Ｓ６０７）の詳細について説明する。本処理では各ＲＯＩから算出されたオーバーレイとその信頼性をもとに計測画像におけるオーバーレイを算出する。処理フローを図１３に示す。図中において「信頼性［ｉ］」はｉ番目のＲＯＩから算出したオーバーレイの信頼性を表し、「ＯＶＬ［ｉ］」はｉ番目のＲＯＩから算出したオーバーレイの値を表す。本処理では、信頼性が予め設定したしきい値Ｔｈ以上のオーバーレイ算出結果を対象に、信頼性を重みとした加重平均を算出する。

具体的には、ｉ番目のＲＯＩから算出した信頼性（信頼性［ｉ］）をしきい値Ｔｈと比較し（Ｓ１３０１）、しきい値を超えた場合に重みの総和Ｗを更新し（Ｓ１３０２）、オーバーレイの総和Σ_ＯＶＬを更新し（Ｓ１３０３）、全てのＲＯＩについてＳ１３０１からＳ１３０３までの処理を繰り返し、終了後、オーバーレイの総和Σ_ＶＯＬを重みの総和Ｗｄｅ除算する（Ｓ１３０４）ことで、加重平均を算出する。なお、信頼性があらかじめ設定したしきい値Ｔｈ以上のオーバーレイ算出結果を対象に単純に平均を算出（重みを１とした加重平均を算出）しても良い。以上により、一枚の計測画像からひとつのオーバーレイが算出される。

以上、オーバーレイ画像ライブラリ記憶部２０８に記憶させたオーバーレイ画像ライブラリを用いたオーバーレイ計測方法について説明した。以降においてオーバーレイ画像ライブラリの作成方法について説明する。

作成するオーバーレイ画像ライブラリ１６００のデータ構造を、図１６に示す。オーバーレイ画像ライブラリ１６００は、インデックス１６０１、テンプレート画像１６０２、オーバーレイ１６０３、パターンサイズ変動１６０４で構成される。但し、パターンサイズ変動１６０４は、必ずしも含まれる必要はない。 オーバーレイ画像ライブラリ１６００の作成処理フローについて半導体試料の設計情報を用いる方法について図１４を用いて説明する。まず計測座標周辺の設計情報を切り出す（Ｓ１４０１）。切り出す範囲は計測画像の視野に限らず、後段のＳＥＭシミュレーションにおいて帯電などを考慮するために必要な領域を加えても良い。なお、ここでの「設計情報を切り出す」とは、設計情報に含まれる複数の線分情報や高さ情報、マテリアル情報などのうち、対象となる領域に含まれる情報のみを抽出することを意味する。

次に、計測画像における第１の露光により形成されるパターンに関するレイヤーＬ１および、第２の露光により形成されるパターンに関連するレイヤーＬ２の情報を抽出する（Ｓ１４０２）。なお、レイヤーＬ１およびレイヤーＬ２は設計情報に含まれるレイヤー情報のうち、複数のレイヤーを統合したものでもよい。

次に、レイヤーＬ２の位置（線分情報における座標）をレイヤーＬ１に対して（ｄｘ、ｄｙ）だけずらした情報を生成し（Ｓ１４０３）、ＳＥＭシミュレーションにより模擬ＳＥＭ画像を生成する（Ｓ１４０４）。ＳＥＭシミュレーションでは指定された条件に基づき、電子銃から試料表面までの電子ビーム軌道および試料表面でビームプロファイルなどを算出し、電子ビームと試料のインタラクションにより試料から生じる２次電子および反射電子の放出角度およびエネルギーをモンテカルロ法などにより算出し、試料から生じた２次電子および反射電子が検出器により検出される電子検出効率を算出し、検出器の出力信号に対するアンプ、Ａ／Ｄ変換などを模擬することで模擬ＳＥＭ画像を生成する。

以上により生成された模擬ＳＥＭ画像をテンプレート画像１６０２とし、与えたずれ量（ｄｘ、ｄｙ）をオーバーレイ１６０３とし、それらを結び付けてオーバーレイ画像ライブラリ１６００に記憶する（Ｓ１４０５）。以上を与えられたオーバーレイのバリエーションＶｏｖｌについて繰り返し処理する。

なお、オーバーレイ画像ライブラリ１６００にはオーバーレイ以外のパターン変形要因を含めても良い。例えば、製造過程においてはパターン寸法に変動が生じることが想定される。計測画像においてパターン寸法が変化している場合、オーバーレイ画像ライブラリ１６００に含まれるテンプレート画像との類似度が低下し、オーバーレイの算出精度が低下する。そこで、予めパターン寸法の変動も考慮して疑似ＳＥＭ画像を生成し、パターンサイズ変動１６０４としてオーバーレイ画像ライブラリ１６００に記憶しても良い。

図１５にパターン寸法の変動を加味したオーバーレイ画像ライブラリ１６００の作成処理の手順を示す。図１５に示した処理手順においては、図１４を用いて説明したＳ１４０２とＳ１４０３の処理(図１５では、Ｓ１５０２とＳ１５０５の処理)の間に、レイヤーＬ１のパターンを拡大もしくは縮小する処理（Ｓ１５０３）、及びレイヤーＬ２のパターンを拡大もしくは縮小する処理（Ｓ１５０４）を加えている。なお、レイヤーＬ１もしくはレイヤーＬ２に複数のパターンが含まれる場合、パターンの重心間の距離が変化しないように、各パターンの重心を中心に拡大もしくは縮小する。なお、本処理により作成されたオーバーレイ画像ライブラリ１６００を用いればオーバーレイと同時にパターン寸法の変動も計測可能である。

また、計測画像における第１の露光により形成されるパターンに関するレイヤーＬ１(例えば、図４Ｃのパターン４０９)および、第２の露光により形成されるパターンに関連するレイヤーＬ２（例えば、図４Ｃのパターン４１０）の情報を抽出した後、各レイヤーについて独立にＳＥＭシミュレーションにより疑似ＳＥＭ画像を生成し、この２枚の疑似ＳＥＭ画像について位置ずれを付加した上で各画素の加重平均を算出することで、オーバーレイが生じた疑似画像を生成するようにしても良い。

このときの各画素の重みはＳＥＭシミュレーション時に算出可能であり、例えば第２の露光により形成されるパターンのレイアウト情報をもとにパターンが形成される領域とされない領域で重みを変えるようにすれば良い（第２の露光により形成されるパターンの影響を受けない画素は、第１の露光により形成されるパターンに関する疑似ＳＥＭ画像の濃淡が観察されるように、第２の露光により形成されるパターンに関する疑似ＳＥＭ画像の重みを小さくする）。

本オーバーレイ画像ライブラリ作成方法によれば、ＳＥＭシミュレーションにかかる時間を削減することが可能である。

もしくは第１の露光により形成されるパターンおよび第２の露光により形成されるパターンの外観をユーザが描画した画像を読み込み、読み込んだ２枚の画像について、位置ずれを付加した上で各画素の加重平均を算出することで、オーバーレイが生じた疑似画像を生成するようにしても良い。このときの各画素の重みはユーザがパターンの外観を描画する際に指定したものを用いればよい。本オーバーレイ画像ライブラリ作成方法によれば、設計情報およびＳＥＭシミュレーションが不要となる。

以上は計測画像において、第１の露光により形成される回路パターンと、第２の露光により形成される回路パターンが観察される場合を例に説明したが、計３回以上の露光により形成されるパターンが観察される場合においても同様の方法でオーバーレイ画像ライブラリを作成可能である。

以降では本発明にかかるユーザインターフェースに関して説明する。
計測座標を編集するインターフェースの一例を図１７に示す。本インターフェース１７００では、登録されているチップ座標一覧を表示するインターフェース１７０１、新たなチップ座標を登録するインターフェースを呼び出すボタン１７０２、登録されたチップ座標を修正するインターフェースを呼び出すボタン１７０３、登録されたチップ座標を削除するボタン１７０４を備える。

また、計測対象のチップを選択するインターフェース１７０５、登録された計測座標の画像とそれに関連した情報を表示するインターフェース１７０６、撮像する計測座標の一覧を表示するインターフェース１７０７を備える。また、以前に登録した計測座標の一覧を読み込むボタン１７０９、登録した計測座標の一覧に名前をつけて保存するボタン１７１０を備える。

本実施例にかかるオーバーレイ計測条件を設定するためのインターフェースの一例を図１８に示す。本インターフェース１８００には、取得した画像の一覧を表示するインターフェース１８０１、画像を撮像したチップの位置を表示するインターフェース１８０２、ライブラリ生成インターフェースを呼び出すボタン１８０３、オーバーレイ計測関するパラメータを設定するボタン１８０４、取得した一連の計測画像に対してオーバーレイ計測処理を適用するボタン１８０５を備える。

本実施例にかかるオーバーレイ計測結果を表示するためのインターフェースの一例を図１９に示す。本インターフェース１９００は、オーバーレイ計測結果をウェハ上に重ねて表示するインターフェース１９０１、オーバーレイの大きさについてヒストグラムを表示するインターフェース１９０２、ウェハマップやヒストグラムに表示する計測結果を指定するインターフェース１９０３を備える。また、表示する計測画像を選択するインターフェース１９０４、選択された計測画像と任意のテンプレート画像を並べて表示するインターフェース１９０５、選択された計測画像に対する類似度分布を表示するインターフェース１９０６を備える。

本実施例にかかるオーバーレイ画像ライブラリを作成するためのインターフェースの一例を図２０に示す。本インターフェース２０００は、試料の設計情報を指定して読み込むためのボタン２００１、試料の設計情報を表示するインターフェース２００２、ＳＥＭシミュレーション条件を指定し、模擬ＳＥＭ画像を確認するためのインターフェース２００３、第１および第２の露光により形成されるパターンに関するレイヤーを指定するインターフェース２００４、オーバーレイやパターン寸法変動などのパターン変形に関わるバリエーションを指定するためのインターフェース２００５を備える。

また、試料の設計情報を表示するインターフェース２００２においては、回路パターンのレイアウトを表示できる領域を複数用意し、各領域において異なる倍率でレイアウト情報を表示できるようにし、ある表示領域２０１２（例えば拡大図１）においてオペレータが指定した座標を中心としたレイアウト情報を他の表示領域２０２２（例えば拡大図２）に表示するようにしても良い。また、設計情報を表示するインターフェース２００２もしくは疑似ＳＥＭ画像を表示するインターフェース２００３において、テンプレート画像ライブラリに記憶する領域（例えば２００６）を指定するようにしても良い。また、指定されたパターン変形に関わるバリエーションについて疑似ＳＥＭ画像を生成し、オーバーレイ画像ライブラリに登録するボタン２００７を備える。

以上説明したように、本実施例によれば、指定された計測座標について計測画像を撮像し、オーバーレイと画像を結び付けて記憶した画像ライブラリに含まれる各テンプレート画像と計測画像の類似度を算出し、該各テンプレート画像から算出した類似度の分布を解析することにより、計測画像におけるオーバーレイを算出可能となる。そのため、特許文献１に記載の方法のように、オーバーレイ計測用の専用パターンをウェハ上に形成する必要がなく、実パターンでオーバーレイを評価できるようになった。

また、本実施例に記載の方法によれば、特許文献２および特許文献３に記載の方法のように計測画像からパターンの輪郭形状を抽出する必要がなく、パターンの輪郭が不明瞭な場合においても頑健かつ高精度にオーバーレイを算出可能となる。また、特許文献４に記載の方法のように座標の相対ベクトルを比較する方法に比べ、形成不良などによる回路パターンの変形などに対して頑健である。また、非特許文献１に記載の方法の様に、計測画像から回路パターン領域を認識する必要がないため、回路パターンの境界が不明瞭な場合や濃淡コントラストが低い場合においても頑健にオーバーレイを算出可能となる。

実施例１では指定された計測座標について計測画像を撮像し、オーバーレイと画像を結び付けて記憶した画像ライブラリに含まれる各テンプレート画像と計測画像の類似度を算出し、該各テンプレート画像に対する類似度の変化を解析することにより、計測画像におけるオーバーレイを算出する方法について述べた。また、オーバーレイ画像ライブラリの作成方法として、設計情報を用いてＳＥＭシミュレーションにより模擬ＳＥＭ画像を生成する方法について述べた。実施例２ではオーバーレイ画像ライブラリの作成方法として、ウェハの画像を撮像し、撮像画像のオーバーレイを算出し、撮像画像とオーバーレイを結び付けて記憶する方法について述べる。

本実施例にかかるオーバーレイ計測装置の構成は、実施例１で説明した図１および図２に示した構成と同様である。また、計測フローも図６で説明したフローと同様である。また、ユーザインターフェースに関しても図１７および図１８と同様のものを備える。異なるのはオーバーレイ画像ライブラリ記憶部２０８に記憶させるオーバーレイ画像ライブラリの作成方法である。以降においては実施例１と異なる部分についてのみ説明する。

本実施例にかかるオーバーレイ画像ライブラリの手法は、試料ウェハ１０８の画像を撮像し、撮像画像のオーバーレイを算出し、撮像画像とオーバーレイを結び付けて記憶する。撮像対象の試料ウェハ１０８として、オーバーレイを意図的に作り込んだウェハを用いることが可能である。

一般的に露光装置はウェハ座標に応じてオーバーレイ誤差を補正する機能を有する。そのため、図２１に示す様にウェハ座標ごとにｘ方向のオーバーレイ及びｙ方向のオーバーレイが変化するように補正データを作成し、露光装置に入力することでウェハ面内において所望のオーバーレイを持つウェハを作成することが可能である。この補正データを用いることにより、ウェハ座標から撮像画像のオーバーレイを算出可能である。なお、補正データを露光装置に入力する際には、露光装置が持つオーバーレイ誤差の補正データを加味しても良い。

前述のウェハを用いてオーバーレイ画像ライブラリを作成する処理フローを図２２に示す。まず、図８に示すフローに従い、ウェハ面内の複数の座標位置について撮像する（Ｓ２２０１）。次に、画像の付帯情報から撮像座標を抽出し、その撮像座標とウェハ作成時に作成した補正データをもとに、実施例１の図６のＳ６０7で説明した方法でオーバーレイを算出する（Ｓ２２０２）。

次に、撮像座標周辺を撮像した画像をｋ枚以上抽出し（Ｓ２２０３）、抽出したｋ枚の撮像画像の平均画像を算出する（Ｓ２２０４）。一般的に、回路パターンにはラインエッジラフネスや表面ラフネスなどの製造公差が存在し、撮像画像にはショットノイズや暗電流起因のノイズが含まれる。これらの製造公差やノイズはオーバーレイ算出時に画像類似度を算出する際の精度低下要因となりえる。局所的にはオーバーレイが変化しないと想定し、撮像周辺のｋ枚の撮像画像を平均化することで、これら製造公差やノイズを低減することが可能である。

このようにして作成した平均画像は、Ｓ２２０２で算出したオーバーレイと関連付けてオーバーレイ画像ライブラリ記憶部２０８へ記憶する（Ｓ２２０５）。以上を取得した画像について繰り返し処理することでオーバーレイ画像ライブラリを作成する（Ｓ２２０６）。

以上は、オーバーレイを意図的に作り込んだウェハを用いる方法を示したが、意図的に作り込んだウェハでなくとも良く、撮像画像から何らかの方法によりオーバーレイを計測し、撮像画像と計測したオーバーレイを結び付けてオーバーレイ画像ライブラリに登録するようにしても良い。

以上説明した方法によれば、試料の設計情報やＳＥＭシミュレーションを用いなくともオーバーレイ画像ライブラリを作成可能となる。

実施例１では指定された計測座標について計測画像を撮像し、オーバーレイと画像を結び付けて記憶した画像ライブラリに含まれる各テンプレート画像と計測画像の類似度を算出し、該各テンプレート画像に対する類似度の変化を解析することにより、計測画像におけるオーバーレイを算出する方法について述べた。また、計測画像からＲＯＩを抽出する方法として、オーバーレイ画像ライブラリに含まれるテンプレート画像と類似した領域を計測画像から探索する方法について述べた。実施例３ではユーザが基準となる画像上で指定したＲＯＩを用いて計測画像におけるＲＯＩを抽出する方法について述べる。

本実施例にかかるオーバーレイ計測装置の構成は、実施例１で示した図１および図２に示したものと同様である。また、計測フローも図６と同様であるので、それらの説明は、省略する。また、ユーザインターフェースに関しても図１７および図１８と同様のものを備える。異なるのは計測画像からＲＯＩを抽出する処理（Ｓ６０４）の処理手順である。以降においては実施例１と異なる部分についてのみ説明する。

本実施例にかかる計測画像からＲＯＩを抽出処理では、基準となる画像（以降、基準画像と記載）と、基準画像上でユーザが指定したＲＯＩを関連付けて記憶した情報を用いる。処理フローを図２３に示す。

まず、基準画像と、付帯情報として記憶したユーザが指定したＲＯＩの情報を画像記憶部２０５から読み込む（Ｓ２３０１、Ｓ２３０２）。

次に、テンプレートマッチングなどの手法を用いて計測画像と基準画像の撮像位置ずれを算出し（Ｓ２３０３）、撮像位置ずれ量に基づきユーザが指定したＲＯＩを移動させる（Ｓ２３０４）。ＲＯＩを移動させるには例えばＲＯＩの座標に対して撮像位置ずれ量を加減算すれば良い。これにより、計測画像におけるＲＯＩを抽出可能となる。

本実施例にかかるユーザが基準画像に対してＲＯＩを設定するためのユーザインターフェース２４００の一例を図２４に示す。

ユーザインターフェース２４００には、画像記憶部２０５に記憶された画像の中から基準画像を選択して読み込むボタン２４０１、基準画像と指定されたＲＯＩをオーバーレイ表示するインターフェース２４０２、基準画像上において矩形などを追加、削除するための動作を切り替えるツールボタン２４０３などが表示される。ＲＯＩをオーバーレイ表示するインターフェース２４０２において、入出力端末１１３に接続されたマウスのドラッグ操作などによりＲＯＩ領域を指定可能とする。

以上説明した方法によれば、計測画像からＲＯＩを抽出する処理において、オーバーレイ画像ライブラリに含まれる１つ以上のテンプレート画像を用いて、計測画像から類似領域を探索する処理が不要となり、実施例１の方法に比べて計算量を削減することが可能となる。

１０１・・・走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ） １１２・・・画像生成部 ２０７・・・計測座標記憶部 ２０８・・・オーバーレイ画像ライブラリ記憶部 ２０９・・・画像類似度記憶部 ２１０・・関心領域（ＲＯＩ）抽出部 ２１１・・・画像類似度算出部 ２１２・・・オーバーレイ算出部 ２１３・・・類似度分布評価部 ４１５・・・オーバーレイ ７０１・・・関心領域抽出部 ７０２・・・画像類似度算出部 ７０３・・・類似度分布評価部 ７０４・・・オーバーレイ算出部。

Claims (10)

1. 複数回の露光工程により回路パターンが形成された半導体デバイスを対象に、前記複数の露光工程の間のオーバーレイを計測する方法であって、
   前記半導体デバイスの指定された計測座標位置における計測画像を撮像するステップと、
   前記半導体デバイスの前記指定された計測座標位置に形成されている前記回路パターンに対応する複数枚のテンプレート画像と該複数枚のテンプレート画像の各々と前記オーバーレイを結び付けて予め記憶しておいた画像ライブラリを読み込むステップと、
   該読み込んだ画像ライブラリに含まれる前記複数枚のテンプレート画像それぞれと前記計測画像との類似度を算出するステップと、
   該算出した前記複数枚のテンプレート画像それぞれと前記計測画像との類似度に基づいて前記計測画像におけるオーバーレイを計測するステップ
   を備えることを特徴とするオーバーレイ計測方法。
2. 請求項１に記載のオーバーレイ計測方法であって、
   前記計測画像におけるオーバーレイを計測するステップは、
   前記画像ライブラリにおいて前記各テンプレート画像に結び付けられたオーバーレイと、前記各テンプレート画像と前記計測画像の類似度を結び付けた類似度分布を算出する第１のサブステップと、
   該算出した類似度分布を補間して類似度が最大となるオーバーレイを算出する第２のサブステップと
   を備えることを特徴とするオーバーレイ計測方法。
3. 請求項１に記載のオーバーレイ計測方法であって、
   前記計測画像におけるオーバーレイを計測するステップは、
   前記計測画像から関心領域を抽出し、
   該抽出された関心領域ごとにオーバーレイを算出し、
   前記関心領域ごとに算出されたオーバーレイから前記計測画像におけるオーバーレイを算出することを特徴とするオーバーレイ計測方法。
4. 請求項３に記載のオーバーレイ計測方法であって、
   前記計測画像から前記関心領域を抽出することを、前記画像ライブラリに含まれるテンプレート画像のうち、１つ以上のテンプレート画像と類似した領域を前記計測画像から探索して前記関心領域を抽出することにより行うことを特徴とするオーバーレイ計測方法。
5. 請求項１に記載のオーバーレイ計測方法であって、
   前記画像ライブラリを、
   前記半導体デバイスの設計情報から第１の露光工程により形成されるパターンにかかるレイアウト情報Ｌ１と、第２の露光工程により形成されるパターンにかかるレイアウト情報Ｌ２を抽出し、
   前記レイアウト情報Ｌ１と前記レイアウト情報Ｌ２の相対位置を所定量ずらした上でレイアウト情報を統合し、
   該統合されたレイアウト情報をもとにシミュレーションにより模擬画像を生成し、
   該生成された模擬画像と前記相対位置をずらした所定量を結び付けて記憶する、
   ことにより作成することを特徴とするオーバーレイ計測方法。
6. 複数回の露光工程により回路パターンが形成された半導体デバイスを対象に、前記複数の露光工程の間のオーバーレイを計測する装置であって、
   前記半導体デバイスの指定された計測座標位置における計測画像を撮像する手段と、
   前記半導体デバイスの前記指定された計測座標位置に形成されている前記回路パターンに対応する複数枚のテンプレート画像と該複数枚のテンプレート画像の各々の前記オーバーレイとを結び付けて画像ライブラリとして記憶する手段と、
   該記憶する手段に記憶された画像ライブラリに含まれる前記複数枚のテンプレート画像と前記撮像する手段で撮像して得た前記計測画像の類似度を算出する手段と、
   該算出する手段で算出した前記複数枚のテンプレート画像との類似度に基づいて前記計測画像におけるオーバーレイを計測する手段
   を備えることを特徴とするオーバーレイ計測装置。
7. 請求項６に記載のオーバーレイ計測装置であって、
   前記オーバーレイを計測する手段は、
   前記記憶する手段に記憶された前記複数枚の画像ライブラリから前記複数枚のテンプレート画像の各々に結び付けられたオーバーレイを読み出すオーバーレイ読み出し部と
   該オーバーレイ読み出し部で読みだした前記オーバーレイと前記算出する手段で算出した類似度を結び付ける結び付け部と、
   該結びつけ部で結びつけた類似度を補間し、類似度が最大となるオーバーレイを算出するオーバーレイ算出部と
   を備えることを特徴とするオーバーレイ計測装置。
8. 請求項６に記載のオーバーレイ計測装置であって、
   前記オーバーレイを計測する手段は、
   前記計測画像から関心領域を抽出する関心領域抽出部と、
   前記関心領域抽出部で抽出された関心領域ごとにオーバーレイを算出する関心領域オーバーレイ算出部と、
   該関心領域オーバーレイ算出部で前記関心領域ごとに算出されたオーバーレイから前記撮像する手段で撮像された前記計測画像におけるオーバーレイを算出する計測画像オーバーレイ算出部と
   を備えることを特徴とするオーバーレイ計測装置。
9. 請求項８に記載のオーバーレイ計測装置であって、
   前記関心領域抽出部は、前記記憶する手段に記憶された前記画像ライブラリに含まれるテンプレート画像のうち、１つ以上のテンプレート画像と類似した領域を前記計測画像から探索することで関心領域を抽出することを特徴とするオーバーレイ計測装置。
10. 請求項６に記載のオーバーレイ計測装置であって、前記半導体デバイスの設計情報から第１の露光により形成されるパターンにかかるレイアウト情報Ｌ１と、第２の露光により形成されるパターンにかかるレイアウト情報Ｌ２を抽出するレイアウト情報抽出手段と、
    該レイアウト情報抽出手段で抽出した前記レイアウト情報Ｌ１と前記レイアウト情報Ｌ２の相対位置を所定量ずらした上でレイアウト情報を統合するレイアウト情報統合手段と
    該レイアウト情報統合手段で統合されたレイアウト情報をもとにシミュレーションにより模擬画像を生成する模擬画像生成手段と、
    模擬画像生成手段により生成された模擬画像と前記レイアウト情報統合手段で前記相対位置をずらした前記所定量を結び付けて記憶することで、画像ライブラリを作成する画像ライブラリ作成手段と
    を更に備え、該画像ライブラリ作成手段で作成した画像ライブラリを前記記憶する手段に記憶することを特徴とするオーバーレイ計測装置。

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