JP4035974B2

JP4035974B2 - 欠陥観察方法及びその装置

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Publication number: JP4035974B2
Application number: JP2001292790A
Authority: JP
Inventors: 敏文本田; 裕治高木; 浩人奥田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003098114A; US6965429B2; US20030058435A1; US7170593B2; US20060038986A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体の外観検査およびその欠陥部のレビュー方法に関し、特に半導体欠陥のレビュー装置における高速化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体欠陥の検査およびレビューの方法としては一般的に検査部の画像を良品部の画像と比較し、その差分を欠陥として抽出する比較検査が従来行われてきている。ここで検査部の画像として、同一ウェーハ上の異なるチップの同一設計個所の外観画像との比較を行う方法をチップ比較、メモリセル部などの周期的なパターンを持つ領域の特性を利用して、同一チップ内の同一の外観を持つように設計された個所の外観画像との比較を行う方式はセル比較と呼ばれている。セル比較が可能な検査領域においては半導体パターンが予め予期可能な周期的パターンであると考えることが可能であり、例えば１の方式として特開２０００−６７２４３号公報に開示されているように、予め周期的パターンを記憶しこれを比較画像として、複数の検査部の画像を１枚の記憶しておいた比較画像と比較して欠陥領域を抽出する方法があった。また、２の方式としては特開２０００−１９５４５８号公報に開示されているように、周期的なパターンを複数の矩形領域に分割し、各矩形領域をパターン周期の整数倍ずらして差分の総和が最大となる矩形領域に欠陥があると判定する方式があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の１の方式では周期的なパターンはウェーハのいずれの位置においても同一パターンであることを前提にしていた。このため、複数の異なる周期的なパターンがウェーハに存在していた場合には対応することが難しかった。また、１の方式においては検査位置のパターンが周期的パターンであるか自動的に判定するモードについて記述されているが周期パターンであるかの自動判別を画像のみから判定することは困難であった。更に周期パターンの自動判別処理は演算量の多い処理であるが、１の方式ではこれを判定処理を行っている間処理を待つ必要があった。また、上記従来の２の方式は予め検査位置のパターンが周期パターンであることが前提の処理であり、パターンの周期性が未知の場合には適用ができなかった。
【０００４】
本発明の目的は、高速化が可能でスループットが高い半導体欠陥のレビュー装置を提供することに有る。また、画像の撮像手段がＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）であった場合、正常部である比較位置が電子線で汚染されるのを防ぐことが可能な欠陥部のレビュー方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)を用いて試料上の欠陥を観察する方法において、試料を他の検査装置を用いて予め検査して検出した欠陥位置のデータを用いて観察したい欠陥をＳＥＭの観察視野内に位置させ、試料の観察したい欠陥を含む領域をＳＥＭで撮像して１フレームの画像を得ることをＮ回繰返してＮフレームの欠陥を含む領域の画像を得、撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像をＮフレーム積算して欠陥を含む第１の倍率のＳＥＭ画像を作成し、撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像から欠陥を含む第１の倍率よりも小さい第２の倍率の画像に等価なＳＥＭ画像を作成し、試料の欠陥を含まない領域をＳＥＭの観察視野内に位置させ、試料の欠陥を含まない領域をＳＥＭにより第１の倍率で撮像して１フレームの画像を得ることをＮ回よりも少ないＭ回繰返してＭフレームの欠陥を含む領域の画像を得、Ｍフレームの欠陥を含まない領域を撮像して得た画像をＭフレーム積算した画像から第２の倍率の参照画像を作成し、作成した欠陥を含む第２の倍率の画像に等価なＳＥＭ画像と作成した第２の倍率の画像に等価な参照画像とを比較して欠陥を含む第２の倍率の画像に等価なＳＥＭ画像における欠陥を検出して欠陥の位置情報を得、得た欠陥の位置情報を用いて第１の倍率のＳＥＭ画像から第１の倍率の欠陥の画像を抽出するようにした。
また、本発明では、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)を用いて試料上の欠陥を観察する方法において、試料を他の検査装置を用いて予め検査して検出した欠陥位置のデータを用いて観察したい欠陥をＳＥＭの観察視野内に位置させ、試料の観察したい欠陥を含む領域をＳＥＭで撮像して１フレームの画像を得ることをＮ回繰返してＮフレームの欠陥を含む領域の画像を得、撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像をＮフレーム積算して欠陥を含む第１の倍率のＳＥＭ画像を作成し、撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像のうちＮフレームよりも少ないＭフレーム分の画像を積算した画像をダウンサンプリングして作成した第１の倍率のＳＥＭ画像よりも拡大倍率が低い第２の倍率の画像に等価な欠陥を含むＳＥＭ画像を作成し、作成した第２の倍率の画像に等価な欠陥を含むＳＥＭ画像を分割した局所領域画像から欠陥を含まない参照画像を作成し、作成した第２の倍率の画像に等価な欠陥を含むＳＥＭ画像と作成した欠陥を含まない参照画像とを比較して欠陥を検出しこの検出した欠陥の位置情報を得、得た欠陥の位置情報を用いて第１の倍率のＳＥＭ画像から第１の倍率の欠陥の画像を抽出するようにした。
更に、本発明では、欠陥観察装置を、表面にパターンが形成された試料を予め検査して検出した欠陥位置のデータを記憶する記憶手段と、試料のＳＥＭ像を取得する走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)手段と、試料を載置して移動可能なテーブル手段と、テーブル手段に載置した試料をＳＥＭ手段で撮像して得た画像を処理する画像処理手段と、画像処理手段で処理した結果を出力する出力手段と、記憶手段とＳＥＭ手段とテーブル手段と画像処理手段と出力手段とを制御する制御手段とを備えて構成し、制御手段は、記憶手段に記憶しておいた欠陥位置のデータを用いてテーブル手段を制御して試料の観察したい欠陥を含むパターンが形成された領域をＳＥＭ手段の観察視野内に位置させ、ＳＥＭ手段を制御して観察視野内の試料を撮像して１フレームの画像を得ることをＮ回繰返してＮフレームの欠陥を含むパターンが形成された領域の画像を得、画像処理手段を制御してＳＥＭ手段で撮像して得たＮフレームの欠陥を含むパターンが形成された領域の画像をＮフレーム積算して欠陥を含むパターンが形成された領域の第１の倍率のＳＥＭ画像を作成するとともに撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像のうちＮフレームよりも少ないＭフレーム分の画像を積算した画像をダウンサンプリングして欠陥を含む第１の倍率のＳＥＭ画像よりも拡大倍率が低い第２の倍率の画像に等価な欠陥を含むＳＥＭ画像を作成し、第２の倍率の画像に等価なＳＥＭ画像を用いて試料上の欠陥の位置情報を得、位置情報を用いて第１の倍率のＳＥＭ画像から第１の倍率の欠陥の画像を抽出し、出力手段を制御して画像処理手段で抽出した第１の倍率の欠陥の画像の情報を出力するようにした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、図１から図８を用いて説明する。
【０００７】
図１は本発明の１実施例の全体構成図を示しており、半導体ウェーハで発生した欠陥を解析するレビューシステムである。１０１は検査対象であり、１１０のXYステージに取り付けてある。１０２は電子銃であり、電子走査手段１０３を介して電子を検査対象１０１に照射する。撮像手段１０４は２次電子検出手段、１０５および１０６はある狭い角度方向からの電子を検出する狭角度電子検出手段である。１０５および１０６はその狭角度電子を検出する方向がそれぞれ相異なるように設置されている。１０３は１０２から照射される電子が２次元的に走査されるように制御装置１０７によって制御される。
【０００８】
１０８は画像メモリであり、それぞれ、１０４、１０５、１０６の検出手段の出力を蓄積する。１０３によって電子が２次元的に走査され照射されるため、１０８の画像メモリにはそれぞれの検出手段毎に異なる性質の画像が蓄積されることになる。画像処理手段１１１では、画像メモリ１０８に蓄積された画像を処理することにより欠陥を抽出し、この抽出した欠陥の画像をディスプレイ画面上に表示する。狭角度電子検出手段１０４、１０５では各々検出手段の方向と１０１の法線方向が近接するほど強い強度の出力を得ることが可能である。この性質を用いることにより例えば検査対象の斜面を検出することが可能であり、例えば特開昭６０−２４９００８号公報に開示されているようにして立体形状を推定することが可能である。
【０００９】
１０９はシーケンス制御手段であり、ＸＹステージの制御を行い、検査視野を移動させることが可能である。また、１０７の制御手段とともに、半導体欠陥に複数存在する検査点群をレビューするにあたり装置全体のシーケンスの制御を行う。本構成を用いた欠陥抽出方法としては例えば、本発明者らが先に出願した特願２００１−２１７５１０号に開示したように、検査位置と検査位置に対応する比較位置の画像を比較して欠陥を抽出する方法がある。
【００１０】
ここで、検査位置と比較位置における本来検査対象のもつべきパターンが同一であることが必要である。このため、一般に特開２０００−６７２４３号公報に記載されているように、検査位置のパターンが周期的であることを利用して前もって撮像しておいた周期的パターンと検査位置で撮像した画像とを比較することにより、各検査位置ごとに比較位置の画像を撮像しないで済むモードと検査位置ごとに隣接チップにおける同当チップ内座標位置を比較位置として比較位置の画像を撮像するモードを切り替えて欠陥領域を抽出する技術が知られている。この方式は予め比較位置の画像を撮像しないで済むかが判定されていない場合には繰り返しパターンかどうかを自動判定するという機能を備えているが、この機能にはスループット低下と安定した自動判別が難しいという問題を持っている。更に繰り返しパターンに対してしか適用できないという特性を持つため、最近大量の生産が行われるようになってきているシステムLSI等への適用は困難である。まず、スループットの低下について説明する。
【００１１】
半導体のレビューシステムでは一般に、ウェーハの自動検査装置が検出した欠陥位置にステージを移動し、低倍率で欠陥位置をより正確に求めた後、高倍率で求めた欠陥位置の画像を撮像することが求められる。しかし、特開２０００−６７２４３号公報に記載されている方式を適用した場合、同公報の図２に示されるように検査位置の画像をもとに繰り返しパターンであるか判断し、繰り返しパターンでなければ比較位置にステージを移動させ画像を撮像し、欠陥位置を抽出する必要がある。この後、再びステージを欠陥位置に移動させ、欠陥が中央に来るように高倍率で撮像する。
【００１２】
一方、各検査位置ごとに比較位置の画像を撮像するモードでは比較位置において低倍率で画像を撮像し、ついで検査位置で低倍率の画像を撮像し、２枚の低倍画像を用いて欠陥位置を検出した後、電子の照射位置を１０３の電子走査手段を制御することによって検出した欠陥位置を中心にして高倍率で画像を撮像することになる。繰り返しパターンかどうか自動判定するモードでは、そうでない場合に比較しステージ移動が余分に１回必要であり、さらに繰り返しパターンか自動判定する処理時間も必要になる。以上より、繰り返しパターンでなかった場合の時間コストが大きく、スループットの向上を見込むことができない。
【００１３】
本発明では、この課題を解決する方法を提案する。本発明では繰り返しパターンではなかった場合に比較位置に視野を移動させた後、再び検査位置に視野を移動させる必要が無いように、予め大視野で高倍率のこのフレーム積算が存在するために大視野の高倍率の検査位置の画像を撮像する。一般に電子顕微鏡を用いて画像を撮像する場合にはＳ/Ｎを向上させるために検査視野に対して電子を複数回スキャンし、各スキャンによって得られた検出電子を加算するフレーム積算が行われる。このフレーム積算の回数が多ければ、特に大視野高倍率において長い撮像時間を要してしまうため、一般には大視野高倍率の画像同士を比較することにより欠陥領域を抽出することは非現実的である。そこで、検査位置の画像撮像はフレーム積算数を多く、比較位置の画像撮像ではフレーム積算数を少なく撮像することにより撮像時間を短くすることが可能になる。
【００１４】
フレーム積算数が少ない比較位置での撮像画像は極めてS/Nが悪くなるが、これは画像とローパスフィルタをコンボルーション演算し、ダウンサンプリングすることによりフレーム積算数が多い低倍画像と等価の画像を得ることができる。フレーム積算数の異なる画像を比較した場合、電荷のチャージングなどの画像への影響が異なってくる。したがって、フレームの加算数が比較位置での撮像に等しい検査位置の画像が必要である。そこで、検査位置の画像に関してはフレーム積算の途中において加算数が比較位置のそれと同数になったときの画像と最終的な画質を得るに必要な加算が行われた後の画像との両方を生成するようにする。ここで、本方式を適用した場合の効果を説明する。例えば以下の前提で説明する。１フレームの撮像時間：20ms、フレーム積算回数：１２、ステージの移動時間：1s、高倍の低倍に対する倍率比：２．５倍、画像の撮像前にかかるゲイン調整やオートフォーカス処理：300ms、繰り返しパターン自動判定処理時間：500ms、欠陥位置抽出時間：800ms。
【００１５】
比較するフローを図２に示す。２０１は特開２０００−６７２４３号公報に説明されているフローをより厳密に記述したものである。低倍の欠陥画像の撮像にかかる時間は、前処理を含めて５４０ms、ついで繰り返しパターンの自動判定処理に５００ｍｓかかり、繰り返しパターンで無かった場合には比較画像位置にステージを低倍の比較画像の撮像視野に移動させ１５４０ms、ついでステージの移動と欠陥抽出処理を並列に行い、欠陥位置に視野が移動するまでに１ｓ、最後に高倍の欠陥位置の撮像（前処理を含めて５４０ ms ）をおこない、トータルの時間は４．１ｓとなる。これに最初に検査位置が撮像視野に入るようにステージ移動をさせる時間１ｓを合わせると5．１s程度となる。繰り返しパターンであった場合には、比較位置の画像を撮像しないですむため、前処理を含めた比較画像を撮像する時間５４０ ms が必要なくなる代わりにステージの移動と並列に処理していた欠陥抽出処理の時間８００ ms が顕在化するために２６０ ms 増加した５．４ s を基準として、これから低倍欠陥位置から低倍参照位置へのテーブル移動時間１秒と低倍参照位置から高倍の欠陥位置へのテーブル移動時間１秒とを引くことにより５．４ｓから２秒短縮され、３．４ｓに減少する。
【００１６】
一方、２０２に示した繰り返しパターンの自動判定をおこなわないモードの場合、比較位置の画像撮像に５４０ｍｓ、ステージ移動に１ｓ、低倍画像の撮像に５４０ｍｓ、欠陥抽出処理８００ｍｓ、そして最後に高倍欠陥位置画像の撮像に５４０ｍｓの合わせて３４２０ ms 、約３．４ｓ。これに始めの比較位置への視野の移動時間１ sを含めて４４２０ｍｓ、約４．４ｓとなる。よって、２０１の方法は繰り返しパターンの場合に１ｓ高速、繰り返しパターンでない場合に１ｓほど遅いことがわかる。このことから５０％以上の確率で繰り返しパターンが出現しなければスループットを低下させてしまうことになることがわかる。
【００１７】
２０３および２０４に示した本発明では、広い視野で高い解像度の検査位置の画像を撮像することにより、検査位置の高倍率の画像を欠陥抽出後に撮像するシーケンスを排除することで、検査位置の画像が繰り返しパターンでない場合におけるレビュー時間の増加を最小化することができる。そして、抽出した欠陥の画像として、広い視野で高い解像度の検査位置の画像を撮像して得た検査位置の高倍率の画像が画面上に表示される。また、このとき、抽出した欠陥の画像は、自動分類した後に画面上に表示することもできる。
【００１８】
しかし、この広視野で高い解像度の画像を撮像するため、撮像時間は２０２に対して増加し、検査位置の画像の撮像には1800ｍｓが必要である。比較位置の画像の撮像が無い場合の処理時間はこれに検査位置が視野に入るようステージを移動させる時間を加えて２８００ｍｓとなる。高倍率の画像は既に取得済みであるため、比較位置での画像撮像必要性の判定はシーケンシャルにする必要は無く、それに続く検査位置へのステージ移動、あるいは画像撮像との並列実行が可能である。
【００１９】
１枚の画像による処理が不可能であり、比較位置の画像を撮像しなければならない場合はこれに比較位置に視野を移動させる時間と比較位置での撮像時間が加わる。２０１、あるいは２０２における低倍の検査位置および比較位置の画像より欠陥抽出を行うのと同程度の性能は高解像度で撮像した画像のサイズが１／２．５に小さくするダウンサンプリングを実施した画像を処理して欠陥を抽出することによって得ることが可能である。ダウンサンプリングはローパスフィルタをターゲットとなる画像に対しかけたのち間引き処理を実施することになるため、１／２．５のダウンサンプリングを行うと６．５回のフレーム積算をおこなったのと同じ効果でS/Nを向上させることが可能になる。
【００２０】
２０１、および２０２では低倍の画像を撮像する際に、１２回のフレーム加算を行っているわけであるが、２０３、２０４は既に６．５回のフレーム加算を行ったのと同じ効果によりS/Nを向上できるわけであるため、比較位置においては２回のフレーム加算をして画像を撮像してしまえば同等のS/Nが得られることになる。このときの画像の撮像時間は前処理を加えて５６０ｍｓとなりステージ移動をあわせて１５６０ｍｓ。よってトータルの時間は、これに前述した広視野で高い解像度の画像を撮像するための時間２８００ ms を加えて４３６０ ms 、約４．４ｓとなる。すなわち、比較位置の画像を撮像しなければならない場合において２０１よりもスループットが高い２０２よりも一箇所の測定点あたり６０ ms短時間処理が可能であり、また、比較位置の画像を撮像する必要が無い場合には３．３ s で処理が可能となり、２０２よりもスループットが高い２０１のシーケンスで処理する場合の３．４ sよりも更に高いスループットを得ることができることがわかる。なお、仮に比較位置における画像の撮像において、検査位置と同じフレーム積算をおこなったとすると比較位置の画像を撮像しなければならない場合には上記したステージ移動を含めた１５６０ ms に代わって２８００ ms が必要となり全体で６．１ｓを必要としてしまい、すべての方法の中で最も低いスループットとなってしまう。
【００２１】
一般に本発明で述べた方法は欠陥位置の高倍での撮像倍率が低倍のそれの３倍程度までは有効であるが倍率がこれを超えた場合には、特に比較位置の画像を撮像しなければならなくなってしまった場合にスループットを低下させてしまう。そこで検査位置の画像撮像前に予め検査位置の画像のみで欠陥が抽出できる可能性の高いものは２０１または２０３と２０４の組み合わせである本発明のシーケンスで処理をおこない、可能性が低いものは２０２で処理をすることが望ましい。検査位置の画像のみでの処理の可否を画像撮像前に判定する方法としては各検査位置を他の検査装置によって検査した際の検査方法をもとにして判断する方法があげられる。
【００２２】
一般に半導体の検査方法としては隣接したチップの同じチップ座標位置の外観画像同士を比較するチップ比較検査と、チップ内のパターンの周期性を利用したセル比較検査の２つが行われ、欠陥がセル比較の方式で検査された場合には検査位置は周期的なパターンであることが予めわかっている。このため、本発明または２０１で示されるシーケンスで処理をした方が高いスループットを期待できる。一方、チップ比較を行ったものに関しては、高倍での撮像倍率が高い場合には２０２のシーケンスを用いて処理をした方が高いスループットを期待できる。
【００２３】
本発明と２０２を組み合わせた場合のタイミングチャートを図３に示す。各検査位置を他の検査装置によって検査した方法をもとにして周期性が判断できない場合がある。このときには検査位置の画像のみをもとに欠陥抽出が可能か判定する方法として検査位置の設計データを用いる方法があげられる。いま、仮に現在対象としている検査位置とは異なる位置に対応する比較位置の画像が基準画像として撮像してあったとする。各位置における設計データは一般にストロークデータとして登録されている。このストロークデータをもとに比較位置の検査視野における配線パターンを画像データ化しておく。
【００２４】
次に現在対象としている検査位置に対応する検査視野内の配線パターンをストロークデータから画像データに変換する。パターン比較法などを用いて、２つの画像化された設計データを比較し、パターンが一致すれば異なる位置に対応する比較位置の画像を基準画像として利用することにより検査位置の画像から欠陥を検出することに適用可能と判断である。異なる検査位置の画像を基準画像として用いずに撮像位置のパターンの周期性のみを用いて欠陥の抽出を行う方法の場合においても、同様にして設計データを用いて検査位置の画像のみから欠陥抽出が可能か判断することが可能である。すなわち、ストロークデータとして登録されている配線パターンより検査位置の視野における配線パターンを画像データ化しておき自己相関法を用いて検査位置の視野において同一のパターンが異なる位置において表れるか判定する。
【００２５】
画像撮像前に、注目する検査視野に対応する比較位置の画像の撮像が必要性の判定は正確であるとは限らない。先に説明したように設計データをもとに視野に表れる画像を予め予見できれば多くの場合、欠陥画像を撮像する前にセル比較が可能であるか判定することが可能であるが、実ラインにおいて、設計データは常には入手可能であるわけではない。そこで、撮像した後に、その検査位置に対応する比較位置の画像を撮像する必要の有無を撮像した画像を用いて判定することが必要になる。
【００２６】
この方法としては、たとえば撮像した欠陥位置画像をもとに撮像されたパターンの周期性を求め、検査視野がパターンの周期性に比べて狭かった場合には検査位置で撮像した画像内でパターンの周期性を用いて欠陥を抽出することができないと判定する方法があげられる。また、欠陥サイズがパターンの周期性よりも大きかった場合には欠陥同士を比較してしまう現象が発生してしまうため、欠陥領域が正確に検出することが困難になるため、特に欠陥部の自動分類や大きさ判定が必要になる場合においては欠陥を抽出することができないと判定する方が良好な性能が期待できる。
【００２７】
ここまでは、欠陥位置の画像より欠陥を抽出する方法としてセル比較と、基準画像比較を行うことを前提として述べてきたが、ロジックLSIなどではこの２つの方法が適用できない欠陥位置画像の割合も多い。セル比較では視野内でパターンの周期性がない場合に適用不可能であるし、基準画像比較では基準となる画像と視野内の画像が一致しなければ適用できないため、ロジックLSIのようにパターンが複雑であるためである。より多くの欠陥を参照位置の画像を撮像せずに検出するためには、注目する検査位置で撮像した１枚の画像の全体に対応するマッチングを行うのではなく、局所的な領域ごとにマッチングをおこなう方法が有効である。
【００２８】
まず、図４を用いてを検査位置で撮像した画像から比較画像を生成する方法を示す。４０１は検査位置の画像の画像であり、配線パターンが撮像されている。配線パターンに周期性はないものの、横方向にほぼ同一の外観を持つ配線で構成されている。一般に人工物である配線パターンは局所的に同一の外観をもつが、欠陥は同一の外観を持たないと仮定することが可能である。そこで、検査位置の画像において、局所領域パターンが同一のものをマッチングさせていき、もっともうまくマッチングしたもの、例えば相関がもっとも高かったもの同士を比較して差画像を生成し、差画像の画素値が大きかったものを欠陥であると判定する、あるいはマッチングができなかった領域を欠陥と判定すればよい。
【００２９】
一般に局所領域のマッチングには演算量が増大するが、ピラミッドマッチングなどの方法を用いることにより演算量を低減させることが可能になる。ただし、この方式には欠陥が広い領域にわたって発生した場合には対応が困難になるという課題がある。適用するにあたり課題となるのが局所領域サイズの設定である。
【００３０】
これについて図５を用いて説明する。５０１は検査位置で撮像した２次電子像であり、配線５０２、５０３、５０４が撮像されている。５０４は５０２、５０３に比較して明るく撮像されている欠陥である。図１に示したような検出系で撮像した場合、配線のいずれかの位置でショートが起こった場合などに配線が明るくなる現象が発生する場合があり、電位コントラストと呼ばれる。局所領域サイズを５０５に示すような矩形領域に設定した場合、領域５０６と５０５はまったく同じパターンになってしまい、欠陥としては検出されなくなってしまう。
【００３１】
この問題は、欠陥位置で撮像した画像内で局所領域をマッチングさせるのではなく、基準画像として登録されている良品であると判断されている画像の局所的な領域とマッチングさせることにより解決される。なお、このとき局所領域はすべて同じ大きさの矩形領域のような前提はおかない方が望ましい。これは、マッチングをさせようとする領域にエッジのような特徴が無い場合にはマッチングを正確に評価することが困難になり、逆にこの現象が発生しないようにすべての領域を広く設定した場合には、複数の配線を領域が含んでしまい、結果としてマッチングできない領域として判定されてしまうためである。
【００３２】
マッチングできない領域では欠陥かどうかの判定ができないということになってしまう。この現象を防ぐにはひとつの局所領域内には２つ以上の配線の組み合わせが入らないように設定することが効果的である。ただし、局所領域として任意の形状を許した場合には演算量が膨大に増加してしまう。そこで、比較的小さい矩形領域によりマッチングを求めておき、これの組み合わせにより局所領域を構成すればよい。
【００３３】
これを図６を用いて説明する。６０１は検査位置で撮像した画像、６０２は既に撮像されて登録されていた基準画像である。６０１に示されるようにすべて同じ大きさの正方領域で局所領域が構成されていた場合、６０３に示される領域に対応する領域は基準画像６０２には無く、マッチングを行う対応する局所領域を６０２に設定することができない。これは６０３の局所領域画像が２つの配線を含んでいることから発生する。
【００３４】
一般に配線の太さや、そのエッジの見え方などは同一工程においては同じように撮像されるが、異なる配線間の位置関係は撮像される場所により異なる場合が多い。特に６０３の局所領域に撮像されている２本の配線間は離れている。配線間の距離の最小値は工程によって決まっており、より狭い領域により多くの配線を形成することが必要な半導体プロセスにおいては、配線間の距離が小さい場合には複数の配線が１つの局所領域に属していても基準画像内でマッチングがとれる局所領域が存在する場合が多い。そこで、距離の大きい配線がそれぞれ異なる局所領域に属するように検査位置の画像を分割する。配線位置は検査位置の画像よりエッジ抽出することにより、その概略を求めることが可能である。
【００３５】
検査位置の画像を６０４に示すように比較的小さな正方領域に区切り、なるべく一定の間隔になるようにエッジ上にサンプリングポイントを設定し、これに対応する正方領域の識別子を求める。次に、先にエッジ上でサンプリングした間隔よりも広い間隔でエッジ上のサンプリングポイントを考慮してかつなるべく一定の間隔になるようにエッジの無い領域にサンプリングポイントを設定し、これに対応する正方領域の識別子を求める。求められたエッジ上、およびエッジの無い領域におけるサンプリングポイントに対応する正方領域をそれぞれ異なる局所領域の核とみなし、これ以降の処理においてそれぞれの領域を、６０４に示されるすべての正方領域すべてがいずれかの局所領域に属するまで膨張させていき、その過程で接触してしまったものは融合させる。エッジ上のサンプリングポイントに関してはここで、エッジが接続している方向に対しては拡大させていく速度を早く、接続されない方向に対しては遅く膨張させることで、異なる複数の配線が同一の局所領域に属してしまうことを防ぐことが可能になる。
【００３６】
この方式を用いることにより、異なる複数の配線を含む局所領域は発生しにくくなり、複数の画像局所構造の組み合わせをマッチングしなければならないケースが少なくなり、比較位置の画像なしでの欠陥抽出が対応できる可能性は高くなる。また、検査位置の画像を複数の基準画像とマッチングさせることによりさらに比較位置の画像なしでの抽出の精度は向上する。さらに、基準画像とともに検査位置の画像における局所領域の画像パターンをその検査位置の画像における他の位置の局所領域画像と比較させることも有効である。検査位置の画像の局所領域を同じ画像の局所領域と比較した場合、先に例としてあげた電位コントラスト欠陥などで欠陥を見逃す場合もあるが、まず、同じ欠陥位置同士の局所領域を比較し、そこで欠陥が見つからなかった場合には、次いで基準画像から求めた局所領域画像と比較することにより、この問題を回避することができる。
【００３７】
しかし、上記に述べた方式にはマッチングをさせることができなかった局所領域の欠陥抽出信頼性が低く、また、大きな領域に広がる欠陥をみのがしてしまう場合があるという問題点を抱えている。図７に示した７０１のような外観をもつ検査位置の画像が撮像されたとしよう。７０１に撮像されている７０２と同じ外観を持つ箇所は７０１には見当たらない。７０２と同じパターンをもつものがこの半導体のパターンとして一般的ではなかったとすれば、基準画像においても７０２と同じ外観を持つ箇所がある可能性は低い。このため、７０２は正常であるにもかかわらず欠陥部として抽出されてしまう恐れがある。
【００３８】
この問題を解決するには設計データを用いればよい。それぞれ対応する局所領域はその対応する設計データも同一であるはずである。そこで、設計データが同一であるものを比較する。設計データは一般に配線、あるいはホールの位置のみが示されており、下地の配線や詳細な配線の形状などについてはデータが無い場合も多い。このため、設計データとともに局所領域内の画像も用いて対応を求めるのが良い。同一の設計データが十分なサンプル数基準データあるいは検査位置の画像にあるにもかかわらず同一の局所領域画像が無い場合には欠陥として判定される。逆に検査位置の画像における局所領域と同じ設計データを持つ局所領域が無かった場合にはたとえ同一の局所領域画像をもつものが見つからなかったとしても欠陥として特定しない方がよい。配線の設計データは一般にストロークデータにより構成されている。ストロークデータ同士のパターンマッチングは画像同士のマッチングに比較して計算量が少なくすることができる。そこで、まず設計データの比較を行い、同一であると判定された局所領域同士内の画像を比較するようにすればよい。
【００３９】
この構成例を図８に示す。８０１は画像メモリであり、図１の１０８に対応する。８０２は設計データ蓄積手段であり、図１に示す装置によって検出する検査位置の視野における設計データが蓄積されている。８０３は基準データ蓄積手段であり、基準画像として用いられる画像の画像データと設計データが蓄積されている。８０３に蓄積されるデータは、一群の検査点のレビューシーケンスの開始前に蓄積しておくことも可能であるが、レビューシーケンス内において比較位置の画像を撮像した際にその画像を順次蓄積していってもかまわない。
【００４０】
８０４は画像分割手段であり、画像メモリ８０１に蓄積された画像を正方格子に分割し、ついで先に説明した方法を用いて局所領域に分割される。８０５は設計データ対応手段であり、８０４で生成された局所領域ごとに対応する設計データを８０２より抽出し、これと８０３に蓄積されている基準画像の設計データをストロークデータ毎のマッチングを行って求める。８０６はパターンマッチング手段である。８０４で決定された局所領域画像と、８０３に蓄積されている基準画像における局所領域画像において、先に８０５で同一の設計データであると判定されたものに関して、８０４で生成された局所領域画像と８０３に蓄積されている基準画像間のパターンマッチを行う。８０６においては画像は空間周波数をもとにサブバンド分解が行われる。
【００４１】
サブバンド化された各空間周波数成分に対しては予め設定されているしきい値に対して小さいものはパターンマッチにおいて０に値が設定し、パターンマッチにおいては無視することが可能になる。一般に配線が存在する箇所では配線の位相を考慮する必要があるため、８０５において設計データが同一であると判定される局所領域数は少なく、パターンマッチにかかる演算量は少ない。一方、配線がない領域に関しては、配線の位相による制限が無いため、設計データが一致する基準画像の局所領域数は配線がある場合に比較し、多くなる。しかし、配線が無い領域の空間周波数は高周波数成分が少ないため、弱いサブバンド成分を０とおく処理により実演算量は大きく削減させることが可能になる。
【００４２】
８０６における処理により、検査位置の撮像画像において各局所領域ごとに対応する基準画像の局所領域が求められることになり、比較位置の撮像画像に対応する画像が生成されることになる。８０７は欠陥抽出部であり、パターンが一致していると判定された領域に対して差画像を生成し、ここで差があった画素を欠陥として判定する。
【００４３】
なお、図８に示した構成は基準画像に対してのみマッチングを行うようになっているが、この構成のまま、検査位置の画像に対しても処理がされるようにするには、８０５および８０６での処理において検査位置の画像についても考慮するようにすればよい。すなわち、８０５に関しては８０２の検査位置画像の設計データ同士を比較し、一定距離以上離れかつ設計データが一致したものを対応する局所領域として識別する。８０６においては８０５で同一と判定された局所領域に対して、その対応する局所領域の画像どうしを、基準画像に対する場合と同様にパターンマッチングすることにより、対応する領域を判定するようにすればよい。
【００４４】
検査位置の異なる位置の局所領域と比較する場合には同一のタイプの欠陥同士を比較して、局所領域画像が同一になってしまう場合があり、局所領域画像および局所領域に対応する設計データが同一であった場合においても欠陥である可能性が残る。一方、基準画像には欠陥が無いと判断可能できるため、基準画像の局所領域画像との間で設計データおよび局所領域画像がともに同一であった場合には必ず正常である。
【００４５】
このように検査位置で得られた対応する局所領域と基準画像で得られた対応する局所領域とはその信頼性が異なってしまう。そこで、それぞれに重み係数を乗じ、正常である確率を条件付確率として求める方法が考えられる。ここで条件として用いられるのは設計データである。局所領域における設計データをωとおき、これが同一であるものの局所領域集合をΩとする。この集合に属する局所領域の局所領域画像をｘとする。求めるべき条件付確率はＰ（ｘ｜ω）となる。この条件付き確率の確率分布関数の算出において、各局所領域が正常である確率を考慮する。
【００４６】
一般には確率分布関数は単にＸとωが同時に満たされる場合のヒストグラムを正規化しただけのものになるが、本方式ではどの画像からその局所領域が得られたかをもとにそのヒストグラムに対する投票の重みを変化させる。たとえば、検査位置の画像において求められる局所領域画像が正常である確率をａ、基準画像で得られた局所領域画像が正常である確率を１としたときに、検査位置の画像において得られた局所領域にはａ、基準画像からの局所領域には１を乗じてヒストグラムを算出し、これを正規化して条件付き確率分布関数を求めればよい。本手法をもとに各局所領域に対応する生起確率が算出され、確率が低いものに関しては欠陥であると判定すればよい。
【００４７】
図８に示した構成では比較位置の画像を撮像することなく、８０３に蓄積された基準画像群のデータをもとに各局所領域ごとに比較位置の画像を生成する。本方式での欠陥検査およびレビュー方法を新たなウェーハに対して適用する場合には、この方式による欠陥抽出が正常に行われるかを確認する必要があり、このためには生成された比較位置の画像をユーザに対して表示し、パラメータの設定や欠陥検査、レビューのモードの変更などを促す必要がある。そこで、検査、レビューを行う装置上では欠陥の表示とともに生成された比較画像を表示する機能を持たせ、同時にあるいは切り替えて表示させるようにする。また、シーケンスの制御や画像の撮像制御、欠陥抽出のためのパラメータ設定画面のいずれか、あるいはそれぞれにこの画像を表示させ、ユーザにモードの切り替え、あるいはパラメータの変更を促せるようにすることが本発明を半導体生産ラインにおいて実活用するには重要である。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明した本発明によれば、半導体欠陥のレビュー装置における高速化が可能になり、スループットが向上する。また、本発明によれば、画像の撮像手段がＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）であった場合、比較位置の画像撮像が不要になることで、正常部である比較位置が電子線で汚染されるのを防ぐことができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレビューシステムの概略構成を示す正面図である。
【図２】本発明による画像比較のフローを説明するシーケンス図である。
【図３】本発明によるシーケンスのタイミングチャートである。
【図４】配線パターンを撮像して得た画像である。
【図５】配線パターンを撮像して得た画像と矩形領域とを示す図である。
【図６】検査画像と記憶画像とを示す図である。
【図７】検査画像を示す図である。
【図８】本発明による設計データを用いたレビューシーケンスを実施するためのシステムの概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０１・・・検査対象１０２・・・電子線照射手段１０３・・・電子走査手段
１０４・・・無指向電子検出器１０５・・・狭角電子検出手段１０６・・・狭角電子検出手段１０７・・・制御装置１０８・・・画像メモリ
１０９・・・シーケンス制御手段１１０・・・ＸＹステージ

Claims

走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)を用いて試料上の欠陥を観察する方法であって、
試料を他の検査装置を用いて予め検査して検出した欠陥位置のデータを用いて観察したい欠陥をＳＥＭの観察視野内に位置させ、
前記試料の観察したい欠陥を含む領域を前記ＳＥＭで撮像して１フレームの画像を得ることをＮ回繰返してＮフレームの欠陥を含む領域の画像を得、
前記撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像をＮフレーム積算して欠陥を含む第１の倍率のＳＥＭ画像を作成し、
前記撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像から前記欠陥を含む前記第１の倍率よりも小さい第２の倍率の画像に等価なＳＥＭ画像を作成し、
前記試料の前記欠陥を含まない領域を前記ＳＥＭの観察視野内に位置させ、
前記試料の前記欠陥を含まない領域を前記ＳＥＭにより前記第１の倍率で撮像して１フレームの画像を得ることを前記Ｎ回よりも少ないＭ回繰返してＭフレームの欠陥を含む領域の画像を得、
前記Ｍフレームの欠陥を含まない領域を撮像して得た画像をＭフレーム積算した画像から前記第２の倍率の画像に等価な参照画像を作成し、
前記作成した欠陥を含む第２の倍率の画像に等価なＳＥＭ画像と前記作成した第２の倍率の画像に等価な参照画像とを比較して前記欠陥を含む第２の倍率の画像に等価なＳＥＭ画像における欠陥を検出して該欠陥の位置情報を得、
前記得た欠陥の位置情報を用いて前記第１の倍率のＳＥＭ画像から前記第１の倍率の欠陥の画像を抽出する
ことを特徴とする欠陥観察方法。
走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)を用いて試料上の欠陥を観察する方法であって、
試料を他の検査装置を用いて予め検査して検出した欠陥位置のデータを用いて観察したい欠陥をＳＥＭの観察視野内に位置させ、
前記試料の観察したい欠陥を含む領域を前記ＳＥＭで撮像して１フレームの画像を得ることをＮ回繰返してＮフレームの欠陥を含む領域の画像を得、
前記撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像をＮフレーム積算して欠陥を含む第１の倍率のＳＥＭ画像を作成し、
前記撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像のうち前記Ｎフレームよりも少ないＭフレーム分の画像を積算した画像をダウンサンプリングして作成した前記第１の倍率のＳＥＭ画像よりも拡大倍率が低い第２の倍率の画像に等価な前記欠陥を含むＳＥＭ画像を作成し、
該作成した第２の倍率の画像に等価な欠陥を含むＳＥＭ画像を分割した局所領域画像から前記欠陥を含まない参照画像を作成し、
前記作成した第２の倍率の画像に等価な欠陥を含むＳＥＭ画像と前記作成した欠陥を含まない参照画像とを比較して欠陥を検出し該検出した欠陥の位置情報を得、
前記得た欠陥の位置情報を用いて前記第１の倍率のＳＥＭ画像から前記第１の倍率の欠陥の画像を抽出する
ことを特徴とする欠陥観察方法。
表面にパターンが形成された試料を予め検査して検出した欠陥位置のデータを記憶する記憶手段と、
試料のＳＥＭ像を取得する走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)手段と、
前記試料を載置して移動可能なテーブル手段と、
前記テーブル手段に載置した試料を前記ＳＥＭ手段で撮像して得た画像を処理する画像処理手段と、
該画像処理手段で処理した結果を出力する出力手段と
前記記憶手段と前記ＳＥＭ手段と前記テーブル手段と前記画像処理手段と前記出力手段とを制御する制御手段と
を備えた装置であって、
前記制御手段は、前記記憶手段に記憶しておいた欠陥位置のデータを用いて前記テーブル手段を制御して前記試料の観察したい欠陥を含む前記パターンが形成された領域を前記ＳＥＭ手段の観察視野内に位置させ、前記ＳＥＭ手段を制御して前記観察視野内の試料を撮像して１フレームの画像を得ることをＮ回繰返してＮフレームの前記欠陥を含む前記パターンが形成された領域の画像を得、前記画像処理手段を制御して前記ＳＥＭ手段で撮像して得たＮフレームの欠陥を含む前記パターンが形成された領域の画像をＮフレーム積算して前記欠陥を含む前記パターンが形成された領域の第１の倍率のＳＥＭ画像を作成するとともに前記撮像して得たＮフレームの欠陥を含む領域の画像のうち前記Ｎフレームよりも少ないＭフレーム分の画像を積算した画像をダウンサンプリングして前記欠陥を含む前記第１の倍率のＳＥＭ画像よりも拡大倍率が低い第２の倍率の画像に等価な前記欠陥を含むＳＥＭ画像を作成し、該第２の倍率の画像に等価なＳＥＭ画像を用いて前記試料上の欠陥の位置情報を得、該位置情報を用いて前記第１の倍率のＳＥＭ画像から第１の倍率の欠陥の画像を抽出し、前記出力手段を制御して前記画像処理手段で抽出した第１の倍率の欠陥の画像の情報を出力する
ことを特徴とする欠陥観察装置。