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TW201506352A - 疊合計測裝置，疊合計測方法，及疊合計測系統 - Google Patents

疊合計測裝置，疊合計測方法，及疊合計測系統 Download PDF

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TW201506352A
TW201506352A TW103109045A TW103109045A TW201506352A TW 201506352 A TW201506352 A TW 201506352A TW 103109045 A TW103109045 A TW 103109045A TW 103109045 A TW103109045 A TW 103109045A TW 201506352 A TW201506352 A TW 201506352A
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TW103109045A
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Takuma Yamamoto
Yasunori Goto
Fumihiko Fukunaga
Original Assignee
Hitachi High Tech Corp
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Abstract

利用掃描型電子顯微鏡而欲測定上層與下層圖樣間的疊合誤差的情形下，下層圖樣的SN(訊號噪音比)低的情況較多，若倚靠單純的圖幀加算處理，則必須做多數次的加算處理。又，如此單純加算而成的圖像中，對於上層與下層各自之圖樣，可能並非為最適當的對比度。 一種藉由利用照射帶電粒子束而取得之圖像，來計測上層之圖樣的位置與下層之圖樣的位置之間的差距之疊合計測裝置及疊合計測方法，將對於上層之圖樣及下層之圖樣各者而言對比度最佳化之圖像的一部分予以加算，藉此生成對於上層之圖樣而言最佳化之第一加算圖像及對於下層之圖樣而言最佳化之第二加算圖像，並求出利用第一加算圖像而找出的上層之圖樣的位置與利用第二加算圖像而找出的下層之圖樣的位置之間的差距。

Description

疊合計測裝置，疊合計測方法，及疊合計測系統
本發明係有關半導體裝置之製造工程中的計測技術，特別是有關計測工程間的疊合錯位量之疊合計測技術。
半導體裝置，是藉由反覆對半導體晶圓上以遮罩形成的圖樣做微影(lithography)處理及蝕刻處理而轉印之工程而製造出來。半導體裝置之製造過程中，微影處理或蝕刻處理等的良莠、異物產生等，會對半導體裝置的良率造成很大的影響。是故，為了及早或事前偵測出這樣的製造過程中的異常或不良產生，會於製造過程進行半導體晶圓上的圖樣計測或檢査。
尤其是，近年來隨著半導體裝置微細化與三維化的進展，不同工程間的圖樣的疊合管理的重要度逐漸升高。以往，是對專用圖樣照射光至半導體裝置而從得到的反射光來計測各工程中製作出之圖樣的位置，藉此求出不同工程間的圖樣的疊合誤差。
然而，伴隨半導體的微細化而造成疊合概度 (likelihood)降低，需要更高精度的疊合管理手法。以往對於各射域(shot)係僅管理射域全體的偏移(offset)量，但由於曝光機的特性所引發之射域內的疊合錯位量不一致也愈來愈無法忽視。此外，也開始需考量曝光以外的加工製程如蝕刻孔(etching hole)的傾斜等所帶來的影響。
為了因應這樣的需求，有人提出一種疊合計測手段，係利用以掃描型電子顯微鏡(SEM)得到之半導體裝置的實際製程圖樣。例如專利文獻1中便記載利用掃描電子顯微鏡來測定不同層間的疊合誤差之技術。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2011-142321號公報(美國專利第8148682號說明書)
當利用掃描型電子顯微鏡而欲測定上層與下層圖樣間的疊合誤差的情形下，下層圖樣的SN(訊號噪音比)低的情況較多，若如習知般倚靠單純的圖幀(frame)加算處理，則為了提升下層圖樣的SN以提高疊合計測精度，必須做多數次的加算處理。又，如此單純加算而成的圖像中，對於上層與下層各自之圖樣，可能並非 為最適當的對比度。
為解決上述問題，本發明為一種藉由利用照射帶電粒子束而取得之圖像，來計測上層之圖樣的位置與下層之圖樣的位置之間的差距之疊合計測裝置及疊合計測方法，其特徵為，將對於上層之圖樣及下層之圖樣各者而言對比度最佳化之圖像的一部分予以加算，藉此生成對於上層之圖樣而言最佳化之第一加算圖像及對於下層之圖樣而言最佳化之第二加算圖像，並求出利用第一加算圖像而找出的上層之圖樣的位置與利用第二加算圖像而找出的下層之圖樣的位置之間的差距。
藉由本發明，係以對於上層與下層各自之圖樣調整成最適當的對比度而成之圖像進行位置計測，故能高精度地進行半導體的不同層製程間之疊合計測。
除上述以外之課題、構成及效果，藉由以下實施形態之說明便可明瞭。
1‧‧‧鏡柱
2‧‧‧試料室
3‧‧‧電子槍
4‧‧‧聚光透鏡
5‧‧‧校準器
6‧‧‧E×B濾波器
7‧‧‧偏向器
8‧‧‧對物透鏡
9‧‧‧二次電子檢測器
10‧‧‧反射電子檢測器
11‧‧‧晶圓
12‧‧‧標準試料
13‧‧‧XY平台
14‧‧‧光學顯微鏡
15、16‧‧‧放大器
17‧‧‧射束掃描控制器
18‧‧‧平台控制器
19‧‧‧圖像處理機板
20‧‧‧控制PC
21‧‧‧下層
22‧‧‧上層
23‧‧‧氧化矽
24‧‧‧矽圖樣
25‧‧‧矩形洞
26a、26b、26C、26d‧‧‧矩形洞
51‧‧‧GUI
52‧‧‧對映圖顯示區域
53‧‧‧圖像顯示區域
54‧‧‧晶圓對映圖選擇按鈕
55‧‧‧射域對映圖選擇按鈕
57‧‧‧光學顯微鏡圖像選擇按鈕
58‧‧‧SEM圖像選擇按鈕
59‧‧‧顯示倍率變更按鈕
60a‧‧‧圖像條件設定按鈕
60b‧‧‧圖像取得按鈕
61a‧‧‧樣板登錄頁籤
61b‧‧‧測定點登錄頁籤
62a‧‧‧基準點
62b、62c、62d、62e‧‧‧點
63‧‧‧間距計算按鈕
64‧‧‧間距顯示部
65‧‧‧副間距數登錄部
66‧‧‧副圖樣登錄部
67‧‧‧樣板尺寸登錄區域
68‧‧‧樣板取得按鈕
69、70‧‧‧樣板
71、73‧‧‧偏移調整按鈕
72、74‧‧‧增益調整按鈕
75‧‧‧樣板確定按鈕
76‧‧‧GUI控制單元
76a‧‧‧資訊輸出入部
76b‧‧‧圖像顯示部
77‧‧‧圖像記憶單元
77a‧‧‧取得圖像記憶部
77b‧‧‧樣板中間圖像記憶部
77c‧‧‧亮度變換圖像記憶部
77d‧‧‧加算圖像記憶部
78‧‧‧資訊記憶單元
78a‧‧‧參數記憶部
78b‧‧‧樣板圖像記憶部
79‧‧‧圖像處理單元
79a‧‧‧圖樣匹配處理部
79b‧‧‧加算處理部
79c‧‧‧亮度變換部
79d‧‧‧位置錯位計算部
81a、81b、81c、81d‧‧‧測定點
82‧‧‧射域內座標顯示區域
83‧‧‧測定射域顯示區域
84‧‧‧晶圓原點
85a、85b‧‧‧測定射域
90、100、130‧‧‧圖像
91a~91h‧‧‧位置
92、121‧‧‧圖像條件設定視窗
93、122‧‧‧加速電壓設定區域
94、123‧‧‧探針電流設定區域
95、124‧‧‧X方向的圖像尺寸設定區域
96、125‧‧‧Y方向的圖像尺寸設定區域
97、126‧‧‧圖像加算次數設定區域
101、111‧‧‧基準點
102a、102b、102c、112a、112b、112c‧‧‧切割出的圖像
103、113‧‧‧加算圖像
104、114‧‧‧中心位置
120‧‧‧測定結果檔案
127‧‧‧檢測器設定區域
128‧‧‧加算圖像擴張尺寸設定區域
131‧‧‧搜尋區域
132、142‧‧‧基準點
133、143‧‧‧加算區域
134a、134b、144a、144b‧‧‧相關最大點
135a、135b、135c、145a、145b、145c‧‧‧切割出的圖像
136、146‧‧‧加算圖像
151‧‧‧相關最大位置
152、153、155‧‧‧圖像
154‧‧‧中心位置
156‧‧‧中心位置
160‧‧‧帶電粒子束裝置
161‧‧‧電腦
[圖1]實施例1、2所示之裝置構成示意概略圖。
[圖2]實施例1、2之計測對象試料說明圖。
[圖3]實施例1、2之計測對象試料中的位置錯位的發生形態說明圖。
[圖4]實施例1、2之疊合計測製程的流程示意說明圖。
[圖5]實施例1、2之疊合計測裝置的GUI中的樣板登錄方法說明圖。
[圖6]實施例1、2之疊合計測裝置的圖像處理功能說明圖。
[圖7]實施例1之疊合計測中的圖像對比度最佳化方法說明圖。
[圖8]實施例1、2之疊合計測裝置的GUI中的計測座標登錄手續說明圖。
[圖9]實施例1、2之疊合計測裝置的GUI中的計測射域登錄方法說明圖。
[圖10]實施例1之疊合計測裝置的GUI中的圖像條件設定方法說明圖。
[圖11]實施例1之疊合計測中的基準位置搜尋方法說明圖。
[圖12]實施例1之疊合計測中的上層圖樣的加算圖像作成方法說明圖。
[圖13]實施例1之疊合計測中的下層圖樣的加算圖像作成方法說明圖。
[圖14]實施例1、2之疊合計測中作成的結果檔案說明圖。
[圖15]實施例2之疊合計測裝置的GUI中的圖像條件設定方法說明圖。
[圖16]實施例2之疊合計測中的基準位置搜尋方法說明圖。
[圖17]實施例2之疊合計測中的上層圖樣的加算圖像作成方法說明圖。
[圖18]實施例2之疊合計測中的下層圖樣的加算圖像作成方法說明圖。
[圖19]實施例2之疊合計測中的疊合錯位量算出方法說明圖。
[圖20]使用了實施例1、2之疊合計測裝置的系統構成說明圖。
以下參照圖面，詳細說明本發明之實施例。
以下，說明使用掃描型電子顯微鏡的例子，來作為利用藉由照射帶電粒子束所取得之圖像來計測試料的上層圖樣位置與下層圖樣位置之間的差之疊合裝置的一例，但此僅為本發明的一例，本發明並非受到以下說明之實施形態所限定。本發明中，所謂帶電粒子束裝置，係廣泛包含利用帶電粒子束來拍攝試料圖像之裝置。帶電粒子束裝置的一例，可舉出使用了掃描型電子顯微鏡之檢査裝置、複檢(review)裝置、圖樣計測裝置。此外，汎用之掃描型電子顯微鏡、或具備掃描型電子顯微鏡之試料加工 裝置或試料分析裝置亦可運用。此外，以下所謂帶電粒子束裝置，還包含上述帶電粒子束裝置連接至網路而成之系統或上述帶電粒子束裝置的複合裝置。
本說明書中，所謂「疊合計測」並不限於計測2層的疊合的位置錯位誤差，還廣泛包含計測3層以上情形下的圖層(layer)相互位置錯位。
本說明書中，「試料」是以形成有圖樣的半導體晶圓為例來做說明，但並不限於此。
[實施例1]
圖1為本實施例之疊合計測裝置的構成圖，裝置本體由電子光學系統亦即鏡柱1、以及試料室2所組成。鏡柱1包含：電子槍3、聚光透鏡(condenser lens)4、對物透鏡(objective lens)8、偏向器(deflector)7、校準器(aligner)5、二次電子檢測器9、E×B濾波器6、反射電子檢測器10。藉由電子槍3而產生之一次電子束(照射電子)，會藉由聚光透鏡4與對物透鏡8而使其對晶圓11收斂並照射。校準器5係校準一次電子束入射至對物透鏡8之位置。一次電子束，係藉由偏向器7而對晶圓11掃描。偏向器7，依照來自射束掃描控制器17的訊號，使一次電子束對前述晶圓11掃描。藉由一次電子束的照射而從晶圓11得到的二次電子，係藉由E×B濾波器6而使其朝向二次電子檢測器9的方向，被二次電子檢測器9檢測出來。此外，來自晶圓11的反射電子會藉由反 射電子檢測器10而檢測出來。將二次電子或反射電子予以統稱，將藉由電子束照射而從試料得到的訊號稱為訊號電子。帶電粒子光學系統中，除此以外亦可包含其他透鏡或電極、檢測器，一部分亦可與上述相異，帶電粒子光學系統的構成並不限於此。設置於試料室2中之XY平台13，係依照來自平台控制器18的訊號，使晶圓11相對於鏡柱1移動。在XY平台13上，安裝有用來做射束校正之標準試料12。此外，本裝置具有用來做晶圓校準之光學顯微鏡14。來自二次電子檢測器9及反射電子檢測器10的訊號，係藉由放大器15及放大器16被訊號變換，送至圖像處理機板19而圖像化。此外，本實施例之疊合計測裝置是藉由控制PC20來控制裝置全體的動作。另，控制PC中包含滑鼠或鍵盤等用來讓使用者輸入指示之輸入部，及顯示畫面之監視器等顯示部，硬碟或記憶體等記憶部。
帶電粒子束裝置中，除此以外還包含控制各部分的動作之控制部、或依據從檢測器輸出的訊號來生成圖像之圖像生成部(圖示省略)。控制部或圖像生成部，可以藉由專用的電路基板以硬體方式來構成，亦可藉由與帶電粒子束裝置連接之電腦中執行的軟體來構成。藉由硬體來構成的情形下，可以將執行處理的複數個演算器集聚於配線基板上、或半導體晶片或封裝內來實現。藉由軟體來構成的情形下，可以在電腦中搭載高速的汎用CPU，將執行所需演算處理之程式加以執行來實現。藉由記錄著該 程式之記錄媒體，亦可升級既有的裝置。此外，該些裝置或電路、電腦間係以有線或無線網路連接，適當地傳輸接收資料。
以下，藉由圖2說明本實施例中進行疊合計測之矽晶圓試料的構造。圖2(a)為以掃描型電子顯微鏡觀察該試料時之圖像，上層22為排列著矩形開口部之形狀，在該矩形圖樣的洞底，看得到下層21的圓形圖樣的一部分。圖2(b)為圖2(a)中A-A’部分的截面圖。下層21為在氧化矽23中具有矽圖樣24之構造，上層22為在氧化矽膜中形成有矩形洞25之構造。圖2(c)為下層21中的矽圖樣24排列示意模型圖。此外，圖2(d)為上層22的矩形洞25的圖樣排列示意模型圖。
矩形洞25在後續工程中會被導電性物質填埋，形成插栓(plug)。圖2(a)為上層21與下層22呈疊合良好之狀態，在各洞25的內部看得到矽圖樣24的一部分。在此情形下，於插栓形成時，各插栓和矽圖樣25會以適當的電阻值來電性接觸。
圖3揭示上層22相對於下層21之疊合發生錯位之情況。矩形洞26a中，洞底面存在足夠的矽圖樣24，故插栓形成時能夠與下層之間取得適當的電性接觸。然而，矩形洞26b、26c中，由於洞底面的矽圖樣24的面積狹小，插栓形成時與矽圖樣24之間的接觸部的電阻會變得比正常還大。又，矩形洞26d中，洞底面完全不存在 矽圖樣24，故無法取得與矽圖樣之間的電性接觸。像這樣，當發生疊合錯位的情形下，最終製造出的裝置可能無法正常動作。
以下，藉由圖4說明本實施例中層間的疊合計測31之手續。首先，載入疊合計測對象之晶圓(步驟32)。接著，以光學顯微鏡及SEM來登錄晶圓校準點(步驟33)，執行校準。另，所謂校準，係指以已登錄之圖樣位置為基準，將晶圓的座標系統與裝置的座標系統建立對應之處理。
其後，登錄樣板(template)以用來反覆進行圖樣的加算處理(步驟34)，及，進行晶圓上的疊合測定點登錄(步驟35)。步驟34的樣板，如後述般係作為基準圖像，用來找出套疊(overlay)計測對象圖樣的位置。此外，步驟35中係登錄包含作為套疊計測對象的圖樣在內之圖像的取得位置。從包含套疊計測對象的圖樣在內之圖像當中，搜尋和已登錄的樣板匹配之圖樣，並對匹配之位置的圖像進行加算處理。有關該處理詳如後述。藉由以上製程，便作成用來做疊合計測之製程參數(recipe)，往後製程中會以作成的製程參數來實施計測。
當執行製程參數，則移動至最初的測定點(步驟36)，依照樣板登錄時(步驟34)所規定之條件來取得圖像(步驟37)。接著，藉由取得的圖像當中的同一圖樣部之加算來作成高SN圖像，進行位置錯位量計 算(步驟38)。判斷製程參數中登錄的所有點是否已完成測定(步驟39)，若還有測定點則移動至下一測定點，執行圖像取得與位置錯位量計算。若所有測定點的測定已完成，則進行晶圓卸載(步驟40)，並執行結果輸出(步驟41)。以下，沿著圖4(b)(c)流程，利用各圖說明個別製程之細節。
首先，藉由圖5及圖6，沿著圖4(b)流程，說明步驟34中樣板登錄的詳細手續。在圖5的GUI51上，配置著對映圖顯示區域52與圖像顯示區域53。對映圖顯示區域52中，藉由晶圓對映圖選擇按鈕54與射域對映圖選擇按鈕55，可切換晶圓對映圖顯示與射域對映圖顯示。圖6為圖像處理機板19及控制PC20的內部處理說明圖。GUI控制單元76與資訊記憶單元係配置於控制PC20，圖像記憶單元77與圖像處理單元79係配置於圖像處理機板19。另，圖6所示之各功能方塊係設計成相互以資訊線連接。
圖5中為選擇了射域對映圖之狀態，射域對映圖選擇按鈕55呈高亮顯示。在此狀態下點按射域對映圖內，便會藉由平台移動至射域內的圖像取得位置(步驟34a)。圖像顯示區域53中，藉由光學顯微鏡圖像選擇按鈕57與SEM圖像選擇按鈕58，能夠切換顯示光學顯微鏡像與SEM像。顯示倍率能夠藉由顯示倍率變更按鈕59來變更。其他圖像取得條件，是藉由圖像條件設定按鈕60a來打開圖像條件設定視窗而進行，透過GUI控制單元76 的資訊輸出入部76a使圖像條件記憶於資訊記憶單元78的參數記憶部78a中。藉由點按圖像取得按鈕60b而以設定好之圖像條件取得的圖像，會被記憶於圖像記憶單元77的取得圖像記憶部77a中，透過圖像顯示部76a顯示於GUI(步驟34b)。
樣板的登錄，是在選擇了樣板登錄頁籤61a的狀態下，於圖像顯示區域53選擇圖樣而進行。於圖像中央附近選擇欲登錄成為樣板之基準點62a(步驟34c)，接著選擇錯開了一周期份之基準點62b(步驟34d)。在該狀態下按下間距計算按鈕63，則所選擇之二點間的間距會被GUI控制單元76計算出來而顯示於間距顯示部64，且間距資訊會被記憶於參數記憶部78a(步驟34e)。在此，所謂間距意指於上下層均反覆相同圖樣之周期。在副間距登錄部65，輸入點62a與點62b之間的上層圖樣的間距數。也就是說，所謂副間距，意指僅著眼於上層圖樣時，上層圖樣的反覆周期。在此，於橫方向存在2個矩形開口部、於縱方向存在4個矩形開口部，故分別輸入2及4作為X與Y的副間距數(步驟34f)。每隔間距單位會反覆與基準點相同的圖樣，但除此以外可能還存在與基準點相同圖樣之處。這類處稱為副圖樣，使用者將其位置以副間距單位輸入至副圖樣登錄部66(步驟34g)。本實施例中，將從點62a起算朝X方向移動1間距及朝Y方向移動2間距之點62e登錄成為副圖樣。圖像顯示區域53中，確認與基準點相同圖樣的位置被劃上×標 記後，在樣板尺寸登錄區域67以像素單位設定樣板的尺寸(步驟34h)，並點按樣板取得按鈕68(步驟34i)。如此一來，便會藉由圖像處理單元79的圖樣匹配部79a正確地找出與從點62a至點62e切割出之圖像的同一圖樣位置，並藉由加算處理部79b作成加算圖像。加算圖像會被記憶於樣板中間圖像記憶部77b，透過圖像顯示部76b，樣板69與樣板70分別顯示於GUI。
樣板69(第一樣板圖像)係被調整了亮度值的偏移(offset)或增益(gain)，以便對上層圖樣而言成為最佳的對比度。具體而言，使用者藉由操作偏移調整按鈕71與增益調整按鈕72，來調整如圖7所示般的變換表(步驟34j)。此外，樣板70(第二樣板圖像)係被調整了亮度值的偏移或增益，以便對下層圖樣而言成為最佳的對比度。具體而言，使用者藉由偏移調整按鈕73與增益調整按鈕74，來調整如圖7所示般的變換表(步驟34k)。樣板69與樣板70的對比度調整能夠獨立進行。
變換表是於圖像處理單元79內的亮度變換部79b中保存著上層圖樣用與下層圖樣用這2者，預設是如圖7(a)般將12位元線形變換為8位元。步驟34j及步驟35k中若偏移或增益被變更，則亮度變換部79b的變換表會依據被變更的偏移與增益而被更新，再度作成被亮度變換之樣板圖像。樣板圖像會被保存於樣板中間圖像記憶部77b，且透過圖像顯示部76b顯示於GUI。藉由按下樣板確定按鈕75，保存於樣板中間圖像記憶部77b的樣板 圖像會被保存至資訊記憶單元78內的樣板圖像記憶部78b(步驟341)。
像這樣，在製程參數作成時，會一面更新變換表一面作成最佳的表。另一方面，在製程參數動作時，係將在製程參數開始時依據偏移及增益的製程參數設定值而作成之變換表事先保存於亮度變換部79c，在製程參數動作中便能夠常時使用保存於亮度變換部79c之變換表。
圖7(b)為對樣板69的變換表的說明圖，輸入圖像的訊號值為A之點及訊號值為B之點，於保存圖像中均等地分割成訊號值0至256。另一方面，圖7(c)為對樣板70的變換表的說明圖，輸入圖像的訊號值為A'之點及訊號值為B'之點，於保存圖像中均等地分割成訊號值0至256。在此，圖7(b)為強調上層的較亮圖樣、圖7(c)則為強調下層的較暗圖樣之變換表。
本實施例中，是藉由改變圖像對比度來作成對於上層及下層圖樣而言對比度最佳的圖像，但亦可藉由利用來自不同檢測器的訊號來得到對於各個層而言最佳的圖像。舉例來說，上層圖樣亦可利用來自二次電子檢測器(SE檢測器)的訊號，如此邊緣部會被明確地圖像化；下層圖樣亦可利用來自反射電子檢測器(BSE檢測器)的訊號，如此容易得到材質對比度。
接著，藉由圖8說明登錄射域內的測定座標之手續。選擇測定點登錄頁籤61b後，藉由射域對映圖選擇按鈕55使射域對映圖顯示於對映圖顯示區域52。在此 狀態下，當點按射域對映圖上，便取得點按的場所的圖像。若於圖像顯示區域中點按圖像，該場所便被登錄成為疊合測定位置。被登錄的疊合測定位置會在射域對映圖上以×號顯示對應之位置，且在射域內座標顯示區域82顯示登錄座標。本實施例中，對映圖顯示區域52的射域對映圖中係登錄如81a、81b、81c、81d所示之4個測定點，與它們對應之射域內座標顯示於射域內座標顯示區域82。此外，測定射域顯示區域83中，呈現僅選擇了原點射域(0，0)之狀態，以作為初期狀態。
當變更測定射域時，係如圖9般在藉由晶圓對映圖選擇按鈕54使晶圓對映圖顯示的狀態下，在晶圓對映圖上選擇欲執行測定之射域。圖9中選擇了射域85a與射域85b這2個射域，被選擇的射域能夠在測定射域顯示區域83中確認。
圖10揭示點按圖像條件設定按鈕60a時所顯示之圖像條件設定視窗92。在視窗內，配置著加速電壓設定區域93、探針電流(probe current)設定區域94、設定圖像顯示區域53當中橫方向的保存圖像像素數之X方向的圖像尺寸設定區域95、設定圖像顯示區域53當中縱方向的保存圖像像素數之Y方向的圖像尺寸設定區域96、以及圖像加算次數設定區域97。
接著，藉由圖11、圖12、圖13，沿著圖4(c)流程說明計測位置錯位之手續。在此，圖像尺寸可在512像素至4096像素之間以128像素單位設定。如樣 板作成時般是對以512×512像素取得之圖像做16次加算來得到SN較佳的圖像，取而代之，於疊合錯位計測時，亦可對以1024×1024像素取得之圖像做4次加算。以1024×1024像素取得之圖像具有512×512像素圖像的4倍視野，故藉由對加算了4次的1024×1024像素之圖像內的同一圖樣部予以加算，便可比使用加算了16次的512×512像素之圖像時還更加提昇SN。在此情形下，對晶圓上各場所照射之電子劑量會變為1/4，故能大幅減低晶圓的損壞。
當於設定之條件下取得圖像，會藉由亮度變換部79c對該一圖像做不同的二個灰階變換處理，來生成分別對於上層及下層最佳化之圖像。具體而言，藉由亮度變換部79c而以圖7(c)中提升下層的對比度之變換表所變換的圖像90(參照圖11)、及以圖7(b)中提升上層的對比度之變換表所變換的圖像100(參照圖12)，會被保存於圖像記憶單元77內的亮度變換圖像記憶部77c裝置的記憶體內(步驟38a)。圖像90是被調整成對於下層圖樣最佳化之對比度，其上層圖樣亮度飽和。另一方面，圖像100是被調整成對於上層圖樣最佳化之對比度，其下層圖樣過暗而呈難以判別之狀態。
首先，利用對於下層圖樣最佳化之樣板70(第二樣板圖像)，在圖像90的中央附近搜尋(匹配)與樣板相同圖樣之位置。具體而言，是於圖像90的中央部，以圖樣間距份的範圍，藉由圖樣匹配處理部79a計算 與樣板70之間的標準化相關(normalized correlation)，求出相關值高的位置(步驟38b)。在此情形下，如圖11(c)所示在和樣板完全一致之位置91d及91f成為最高的相關值，而在僅和上層一致之位置91a、91b、91c、91e、91g、91h則得到次高的相關值。此處，將最高相關值之位置91d設定成為周期圖樣搜尋的基準點。另，在此所揭示的例子，是91d及91f在上層下層均為相同圖樣因此成為同程度的相關值，但由於雜訊等的影響而91d的匹配率偶然稍微高了一些。
接著，圖樣匹配處理部79a，會以圖12(a)的圖像100當中與圖像90中設定的基準點相當之位置作為基準，搜尋(匹配)與樣板69(第一樣板圖像)具有相同圖樣之位置。更具體而言，在圖像90中設定的基準點的鄰近，係以像素以下的精度，來決定與樣板69之間的標準相關值成為最大之位置。圖像100中與樣板69之間的相關值成為最大之位置，會視為與樣板69具有相同圖樣之位置，故將基準點101變更至該位置(步驟38c)。圖像100及樣板69中僅能明確地看見上層圖樣，因此能夠不受SN低的下層圖樣影響而進行與樣板之間的匹配，其結果，能夠以像素以下的精度來求出匹配位置。
一旦決定圖像100中的基準點，便在相對於基準點101而言位於下一位置關係的點的鄰近，同樣地搜尋與樣板之間的標準化相關值成為最大之位置(步驟38d)。另，將基準點於圖像上的像素單位的座標訂為 (Tx，Ty)、像素單位的X及Y方向的圖樣周期訂為Px及Py、整數M、整數N。
I={Tx+N‧Px，Ty+N‧Py}
II={Tx+(N+1/2)‧Px，Ty+(N+1/2)‧Py}
在此，I為在圖5的圖像顯示區域中以62a作為基準點時，從62a起算朝上下左右方向位移(shift)了間距的整數倍之一連串位置。此外，II為從相對於基準點而言位於62e的位置關係的點起算，朝上下左右方向位移了間距的整數倍之一連串位置。
藉由圖樣匹配處理部79a找出複數個相關值成為最大之位置，藉由加算處理部79b將從找出的位置(第一部分)切割出之圖像102a、102b、102c...(第一部分圖像)予以加算，生成加算圖像103(第一加算圖像)。加算圖像103被記憶於加算圖像記憶部(步驟38e)。位置錯位計算部79d中，利用加算圖像103求出上層的十字圖樣的中心位置104(步驟38f)。圖像102a、102b、102c...及加算圖像103，係為對於上層最佳化的對比度的圖像，故能夠精度良好地求出上層的十字圖樣的中心位置104。另，以下所謂「圖樣的中心位置」，除了幾何學上的中心位置以外，亦可為重心位置。又除此以外，只要是可從圖樣形狀唯一地特定出之規定位置即可。
同樣地如圖13所示，在圖像90當中，找出複數個與圖像100中成為最大相關值之位置(亦即圖像102a、102b、102c...)相對應之位置(第二部分)。藉由加算處理部79b將從找出的位置切割出之圖像112a、112b、112c...(第二部分圖像)予以加算，藉此生成下層圖樣圖像的加算圖像113(第二加算圖像)。加算圖像113被保存於加算圖像記憶部(步驟38g)。圖像112a、112b、112c...及加算圖像113中，對比度係被調整成可清楚看見下層圖樣，故藉由利用加算圖像113來找出下層圖樣的位置，便能高精度地做位置計測。
但，由於加算圖像113中還包含上層圖樣，故僅靠如此可能無法正確地求出下層圖樣的中心位置。鑑此，利用從對於上層圖樣而言對比度最佳化之加算圖像103得到之上層圖樣的位置資訊，來作成將閾值以上的亮度之上層圖樣部分予以遮罩遮蓋(mask out)而成的圖像114(步驟38h)，位置錯位計算部79d利用圖像114來求出下層圖樣的中心位置115(步驟38i)。在此，步驟38h的遮罩處理及步驟39i的中心位置計算均藉由位置錯位計算部79d執行。本實施例中，切割出的圖像的尺寸係設計為與樣板同尺寸，但亦可設定成切割出與樣板不同尺寸的圖像。疊合錯位量，係由像素單位之上層圖樣的中心位置103(Mx，My)與下層圖樣的中心位置115(Nx，Ny)、及像素尺寸S，依以下式子算出(步驟38j)。
X方向的錯位量：(Mx-Nx)‧S
Y方向的錯位量：(My-Ny)‧S
所有測定點的測定完成後，輸出如圖14所示之測定結果檔案120。將各測定點的加算圖像103及加算圖像113與測定結果檔案連結(link)並保存，也可利用於檢驗疊合計測是否正常進行等目的。
[實施例2]
以下，在實施例2中，說明實施例1之變形例。除非特別註明，否則實施例2之裝置構成、對象試料的構造、計測製程、以及GUI構成均和實施例1相同。
實施例1中，於步驟38b中是以下層圖樣來進行基準位置的搜尋，但視下層圖樣的SN不同，會發生難以搜尋下層圖樣的情況。因此，實施例2中，係以必定會包含樣板70中所示下層圖樣的尺寸將圖像切割出來並進行加算處理，藉此免除下層圖樣的搜尋步驟。
如圖15所示，實施例2之圖像條件設定視窗121中，在視窗內配置著加速電壓設定區域122、探針電流設定區域123、X方向的圖像尺寸設定區域124、Y方向的圖像尺寸設定區域125、圖像加算次數設定區域126、檢測器選擇區域127、加算圖像擴張尺寸設定區域128。
實施例2中，是在藉由4096×4096像素的1 次加算所得到之圖像內將圖像內的同一圖樣部予以加算。實施例1中說明了將1024×1024像素的圖像加算4次的例子，但本實施例之情形中係將加算僅訂為1次，藉由對晶圓上的同一區域電子之劑量會進一步減少，能夠大幅減低晶圓的損壞。在此，當X方向的圖樣間距為100像素、Y方向的圖樣間距為200像素的情形下，被加算之反覆圖樣數係如下般計算。
(加算次數)=(X方向的間距數)×(Y方向的間距數)×(間距內的目標圖樣)
在此，X方向的間距數=40(亦即4096/100的整數部分)、Y方向的間距數=20(亦即4096/200的整數部分)、間距內的目標圖樣數=2(亦即1+副圖樣數)，故加算次數為160次，相對於加算前的4096×4096像素的圖像，能使SN提升約13倍。
在檢測器選擇區域127中，會分別選擇對於上層圖樣及下層圖樣而言最佳的檢測。實施例2中，對於上層圖樣選擇二次電子檢測器、對於下層圖樣則選擇反射電子檢測器。此外，實施例2中在加算圖像擴張尺寸設定區域128中，係以上層圖樣的間距單位(亦即副間距單位)來設定欲加算之圖像相對於樣板尺寸的擴張量，以便使圖5的樣板70的圖樣必定落入加算圖像內。
以下，藉由圖11說明加算圖像擴張量的決定 方法。使用者能夠在圖4(b)所示之樣板登錄流程中確認在上層及下層形成之圖樣的圖像，而藉由以下方法來決定擴張量。或者，由設計資料等能夠事先掌握應在上層及下層形成之圖樣，故能藉由以下方法來決定擴張量。
首先，假設選擇了91a或91g作為基準位置的情形下，由於樣板70的圖樣在圖11(a)中係位於朝上移動了1副間距之位置，故必要的擴張量會成為朝上1副間距。同樣地，91b或91h的情形下是朝右擴張1副間距、91c或91e的情形下則朝上擴張1副間距且朝右擴張1副間距份即可。91d或91f為與樣板70相同的下層圖樣，故不必擴張。由它們可知，當下層圖樣呈圖11般配置的情形下，無論上層圖樣的哪個位置被選擇作為基準位置的情況下，只要是朝上擴張1副間距且朝右擴張1副間距的大小的圖像，必定會有與樣板70的圖樣相同之圖樣包含在圖像內。
綜上所述，分別求出從在試料上任意設定之假想基準點的各者起算，至上層及下層中和樣板相同圖樣之最接近位置為止的距離，而以求出之距離當中的最大距離份量，來擴張欲加算之圖像的視野範圍，故結果而言會將比樣板大了此一份量之圖像訂為加算對象。另，上述揭示例子中係比樣板大小還擴張了1副間距來取得加算對象之圖像，但擴張量會依試料圖樣而異。無論是哪種圖樣的試料，只要至少擴張至具有1間距以上的視野範圍，便能使其必定包含與樣板70相同之圖樣。
接著，藉由圖16、圖17、圖18說明實施例2中計測位置錯位之手續。當於設定之條件下取得圖像，則以二次電子檢測器得到之圖像130(參照圖16)、及以反射電子檢測器得到之圖像140(參照圖18)便被保存於裝置的記憶體內。首先，利用對於上層圖樣最佳化之樣板69，在圖像130的中央附近的搜尋區域131中，搜尋與樣板同一圖樣之位置。具體而言，是在圖像130的中央部，以圖樣間距份之範圍，計算與樣板69之間的標準化相關，藉此求出相關值高的位置，訂出基準點132。實施例2中，設想下述情況，即，下層圖樣的SN不足，原圖像中難以搜尋到包括下層圖樣在內與樣板一致之位置。因此，基準點132中雖然下層圖樣與樣板69相異，但即使在這樣的情形下，只要將加算圖像的尺寸設定成足夠大而使得與樣板相同之圖像會包含在加算圖像中，便能夠因應。
接著，在對於圖像130中包含之基準點132而言位於下一位置關係的點的鄰近，同樣地搜尋與樣板69之間的標準化相關值成為最大之位置。另，將基準點132於圖像上的像素單位的座標訂為(Sx，Sy)、像素單位的X及Y方向的圖樣周期訂為Px及Py、整數M、整數N。
I={Sx+N‧Px，Sy+N‧Py}
II={Sx+(N+1/2)‧Px，Sy+(N+1/2)‧Py}
在此，I為在圖5的圖像顯示區域中以62a作為基準點時，從62a起算朝上下左右方向位移(shift)了間距的整數倍之一連串位置。此外，II為從相對於基準點而言位於62e的位置關係的點起算，朝上下左右方向位移了間距的整數倍之一連串位置。它們當中，I為如點134a這類的點、II為如點134b這類的點，實施例2的圖像130中以×號表示之點便屬於它們。
對於相關值成為最大之位置，切割出以加算圖像尺寸設定區域128規定之大小的圖像，並進行加算處理。實施例2中，係如基準點132的加算區域133般，在以標準化相關求出之位置中，將樣板尺寸朝上擴張1副間距份且朝右擴張1副間距份而成的圖像切割出來。接著，如圖17所示，將切割出的圖像135a、135b、135c...予以加算，作成加算圖像136。
如圖18所示，同樣地，對於下層圖樣用的圖像140亦進行圖像之切割及加算處理。本實施例中，因下層圖樣的SN比不佳，故在下層圖樣用的圖像140中仍無法明確看見下層圖樣，但由於利用上層圖樣用的圖像130來找出下層圖樣用的圖像的切割位置，故不會有問題。具體而言，圖像140內的基準點142，係設定成和圖像130的基準點132相同圖像上的座標。此外，點143a及點143b，分別和點134a及點134b為相同座標。因此，從圖像140切割出的圖像145a、145b、145c，是和從圖像130 切割出時從相同位置切割出來。將該些切割出的圖像予以加算，作成加算圖像146。加算圖像146中，藉由加算，SN比獲得改善而變得能夠看見下層圖樣。
上層圖樣圖像及下層圖樣圖像的加算圖像作成後，於圖19所示手續中求出疊合錯位量。首先，在下層圖樣的加算圖像146中，藉由標準化相關求出與樣板70一致之位置151，並切割出與樣板70相同部分之圖像152。此外，從上層圖樣的加算圖像136，同樣從與切割出的圖像152相對應之位置切割出圖像，作為與樣板69相同之圖像153。接著，在圖像153中求出上層的十字圖樣的中心位置154。其後，作成於圖像152中將閾值以上的亮度之部分予以遮罩遮蓋(mask out)而成的圖像155，並求出下層圖樣的中心位置156。
疊合錯位量，係由像素單位之上層圖樣的中心位置154(Mx，My)與下層圖樣的中心位置156(Nx，Ny)、及像素尺寸S，依以下式子求出。
X方向的錯位量：(Mx-Nx)‧S
Y方向的錯位量：(My-Ny)‧S
所有測定點的測定完成後，輸出如圖14所示之測定結果檔案120。
另，本發明並不限定於上述實施例，尚包含各種變形例。舉例來說，如圖20所示，能夠在與複數個 帶電粒子束裝置160藉由網路而連接之電腦161中，進行上述處理。藉由帶電粒子束裝置160進行圖像取得處理，藉由電腦161進行圖像取得以外的作業，藉此便可構築效率更佳的疊合計測系統。
上述實施例是為了便於理解說明本發明而提出之詳細說明，並不限定一定要具備上述說明之所有構成。此外，可將某一實施例的一部分置換成其他實施例之構成，又，亦可於某一實施例的構成添加其他實施例之構成。此外，針對各實施例構成之一部分，亦可追加、刪除、置換其他構成。此外，上述各構成、功能、處理部、處理手段等，其一部分或全部，例如亦可以積體電路來設計等而藉由硬體來實現。此外，上述各構成、功能等，亦可以處理器來解譯、執行實現各個功能之程式，藉此以軟體來實現。
實現各功能之程式、表格、檔案等資訊，可置放於記憶體或硬碟、SSD(Solid State Drive)等記錄裝置，或IC卡、SD卡、光碟等記錄媒體中。
此外，控制線或資訊線係揭了說明上認有必要者，未必揭示了製品上所有的控制線或資訊線。實際上可想成幾乎所有的構成均相互連接。
1‧‧‧鏡柱
2‧‧‧試料室
3‧‧‧電子槍
4‧‧‧聚光透鏡
5‧‧‧校準器
6‧‧‧E×B濾波器
7‧‧‧偏向器
8‧‧‧對物透鏡
9‧‧‧二次電子檢測器
10‧‧‧反射電子檢測器
11‧‧‧晶圓
12‧‧‧標準試料
13‧‧‧XY平台
14‧‧‧光學顯微鏡
15、16‧‧‧放大器
17‧‧‧射束掃描控制器
18‧‧‧平台控制器
19‧‧‧圖像處理機板
20‧‧‧控制PC

Claims (12)

  1. 一種疊合計測裝置，係為藉由利用照射帶電粒子束而取得之圖像，來計測試料的上層之圖樣的位置與下層之圖樣的位置之間的差距之疊合計測裝置，其特徵為，具有：圖樣匹配處理部，從對於前述上層之圖樣而言對比度最佳化之圖像當中找出複數個具有規定圖樣之第一部分，而從對於前述下層之圖樣而言對比度最佳化之圖像當中找出複數個具有規定圖樣之第二部分；加算處理部，將前述第一部分及前述第二部分分別切割出來成為第一部分圖像及第二部分圖像，將複數個前述第一部分圖像及複數個前述第二部分圖像分別予以加算而生成第一加算圖像及第二加算圖像；及位置錯位計算部，求出利用前述第一加算圖像而找出的上層之圖樣的位置與利用前述第二加算圖像而找出的下層之圖樣的位置之間的差距。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之疊合計測裝置，其中，前述位置錯位計算部，是使用利用前述第一加算圖像而找出的上層之圖樣的位置的資訊，來從前述第二加算圖像中剔除前述上層之圖樣，並藉由該剔除而成的圖像來找出前述下層之圖樣的位置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之疊合計測裝置，其中， 具有亮度變換部，其對於前述試料的一個圖像，進行不同的二個灰階變換處理，藉此生成對於前述上層之圖樣而言對比度最佳化之圖像及對於前述下層之圖樣而言對比度最佳化之圖像。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之疊合計測裝置，其中，具有複數個檢測器，其檢測來自試料的訊號電子，將藉由前述複數個檢測器當中的第一檢測器所得到的訊號而構成之圖像，作為對於前述上層而言對比度最佳化之圖像，將藉由前述複數個檢測器當中的第二檢測器所得到的訊號而構成之圖像，作為對於前述下層而言對比度最佳化之圖像。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之疊合計測裝置，其中，具有記憶部，其記憶對於前述上層之圖樣而言最佳化之第一樣板圖像及對於前述下層之圖樣而言最佳化之第二樣板圖像，前述第一部分圖像及前述第二部分圖像的視野尺寸，比前述第一樣板圖像還大。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之疊合計測裝置，其中，分別求出從在試料上任意設定之假想的基準點的各者起算，至上層及下層中和前述第二樣板圖像相同圖樣之最 接近位置為止的距離，而前述第一部分圖像及前述第二部分圖像的視野尺寸，係比前述第一樣板圖像還大了前述求出之距離當中的最大距離的份量。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之疊合計測裝置，其中，前述第一部分圖像及前述第二部分圖像的視野尺寸，至少包含在前述上層及下層雙方當中相同圖樣反覆之周期間隔以上的範圍。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之疊合計測裝置，其中，具有記憶部，其記憶對於前述上層之圖樣而言最佳化之第一樣板圖像，前述圖樣匹配處理部，是利用前述第一樣板圖像來找出前述第一部分。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之疊合計測裝置，其中，前述圖樣匹配處理部，是藉由前述第一樣板圖像，從對於前述上層之圖樣而言對比度最佳化之圖像中，找出前述第一部分，在對於前述下層之圖樣而言對比度最佳化之圖像當中，將與前述第一部分相對應之位置作為前述第二部分。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之疊合計測裝置，其中，前述記憶部，更記憶對於前述下層之圖樣而言最佳化 之第二樣板圖像，前述圖樣匹配處理部，是從對於前述下層之圖樣而言對比度最佳化之圖像當中，求出與前述第二樣板圖像相同圖樣之位置，以與前述第二樣板圖像相同圖樣之位置作為基準，從對於前述上層之圖樣而言對比度最佳化之圖像當中求出與前述第一樣板圖像相同圖樣之位置，並將該與第一樣板圖像相同圖樣之位置，作為找出前述第一部分時之基準。
  11. 一種疊合計測方法，係為藉由利用照射帶電粒子束而取得之圖像，來計測上層之圖樣的位置與下層之圖樣的位置之間的差距之疊合計測方法，其特徵為：從對於前述上層之圖樣而言對比度最佳化之圖像當中，切割出複數個具有規定圖樣之第一部分圖像，從對於前述下層之圖樣而言對比度最佳化之圖像當中，切割出複數個具有規定圖樣之第二部分圖像，將複數個前述第一部分圖像予以加算，藉此生成第一加算圖像，將複數個前述第二部分圖像予以加算，藉此生成第二加算圖像，求出利用前述第一加算圖像而找出的上層之圖樣的位置與利用前述第二加算圖像而找出的下層之圖樣的位置之間的差距。
  12. 一種疊合計測系統，係為以網路連接藉由利用照射帶電粒子束而取得圖像之帶電粒子束裝置、及利用前述 取得之圖像來計測試料的上層之圖樣的位置與下層之圖樣的位置之間的差距之電腦而成之疊合計測系統，其特徵為，具有：圖樣匹配處理部，從對於前述上層之圖樣而言對比度最佳化之圖像當中找出複數個具有規定圖樣之第一部分，而從對於前述下層之圖樣而言對比度最佳化之圖像當中找出複數個具有規定圖樣之第二部分；加算處理部，將前述第一部分及前述第二部分分別切割出來成為第一部分圖像及第二部分圖像，將複數個前述第一部分圖像及複數個前述第二部分圖像分別予以加算而生成第一加算圖像及第二加算圖像；及位置錯位計算部，求出利用前述第一加算圖像而找出的上層之圖樣的位置與利用前述第二加算圖像而找出的下層之圖樣的位置之間的差距。
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