CN107209125B - 以聚焦体积方法的晶片检验 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示用于检测半导体样本中的缺陷的方法及设备。使用检验工具以在多个聚焦设置下从所述样本的多个xy位置中的每一者收集强度数据集合。依据聚焦设置针对所述xy位置的经收集强度数据集合中的每一者提取具有多个系数的多项式方程式。用于所述多个xy位置的所述系数的值集合中的每一者是以对应系数图像平面表示。接着，分析系数图像平面的目标集合及系数图像平面的参考集合以检测所述样本上的缺陷。

Description

以聚焦体积方法的晶片检验
相关申请案的交叉参考
本申请案主张陈格雷(Grace Chen)在2015年1月21日申请的标题为“以聚焦体积方法的晶片检验(Wafer Inspection With Focus Volumetric Method)”的第62/105,979号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案的全部内容出于全部目的以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及晶片及主光罩检验系统的领域。更特定地说，本发明涉及用于增加对缺陷检测的灵敏度的检验技术。
背景技术
通常，半导体制造产业涉及用于使用分层并图案化到衬底(例如硅)上的半导体材料制作集成电路的极复杂技术。集成电路通常是由多个主光罩制成。主光罩的产生及此类主光罩的后续光学检验已变为半导体生产中的标准步骤。半导体装置(例如逻辑及存储器装置)的制作通常包含使用极多个半导体制造工艺利用多个主光罩处理半导体晶片以形成半导体装置的各种特征及多个层级。多个半导体装置可以某种布置制作在单个半导体晶片上且接着分离成个别半导体装置。
如果主光罩或晶片上存在缺陷，那么所得半导体装置可能无法正确运作。在裸片对裸片(die-to-die)检验中，比较测试裸片的图像与参考裸片的图像，且分析差异以检测缺陷。常规地，针对晶片的单个目标找到最佳聚焦，且接着在整个晶片中使用此最佳聚焦。然而，测试及参考裸片的最佳聚焦归因于多种因素而随着晶片位置的不同而改变使得并非在最佳聚焦设置下检验晶片上的不同位置。裸片对裸片检验可由此收集跨晶片且不在最佳聚焦下的图像，这导致引入噪声到检验结果中使得缺陷更加难以检测。
发明内容
下文展示本发明的简化发明内容以提供对本发明的某些实施例的基本理解。此发明内容并非本发明的广泛概述且其并不标示本发明的关键/重要元素或界定本发明的范围。其唯一目的是以简化形式展示本文中揭示的一些概念作为随后展示的更详细描述的绪论。
在一个实施例中，揭示一种用于检测半导体样本中的缺陷的方法。使用检验工具以在多个聚焦设置下从所述样本的多个xy位置中的每一者收集强度数据集合。依据聚焦设置针对所述xy位置的经收集强度数据集合中的每一者提取具有多个系数的多项式方程式。以对应系数图像平面表示用于所述多个xy位置的所述系数的值集合中的每一者。接着，分析系数图像平面的目标集合及系数图像平面的参考集合以检测所述样本上的缺陷。
在特定实施方案中，在所述多个聚焦设置下从一或多个扫描带的下一集合之前的一或多个扫描带的第一集合收集强度数据，且从其中收集所述强度数据的所述第一及下一扫描带中的所述扫描带的数目经选择小于用于影响实际聚焦位置的热膨胀时间。在进一步方面中，从所述检验工具收集实时xy及z编码器位置数据。在针对所述xy位置的经收集强度数据集合中的每一者提取所述多项式方程式之前，可基于所述经收集实时xy位置数据将来自每一聚焦设置的所述经收集强度数据对准。在进一步方面中，在对强度数据执行所述对准操作之前在所述多个聚焦设置下从xy位置的每一对扫描带收集此强度数据。
在另一实施例中，所述方法包含(i)在所述聚焦设置中的第一者下从所述扫描带中的第一者收集强度数据之前起始xy编码器位置数据到编码器缓冲区中的记录、(ii)当所述检验工具的载台回转以设置用于在所述第一聚焦设置下从所述扫描带中的第二者收集强度数据时，将所述xy编码器位置数据从所述编码器缓冲区复制到系统存储器中用于存取以在所述对准操作中使用且接着在从所述第二扫描带收集强度数据之前起始xy编码器位置数据到所述编码器缓冲区中的记录、(iii)当所述检验工具的载台回转以设置用于在从所述第二扫描带收集强度数据之后在所述聚焦设置中的第二者下从所述第一扫描带收集强度数据时，将所述xy编码器位置数据从所述编码器缓冲区复制到系统存储器中用于存取以在所述对准操作中使用且接着在所述第二聚焦设置下从所述第一扫描带收集强度数据之前起始xy编码器位置数据到所述编码器缓冲区中的记录，及(iv)在所述聚焦设置中的每一者下对后续多对扫描带重复起始记录及复制的所述操作。
在另一实施方案中，通过以下项执行所述分析操作：(1)通过从所述参考集合中的每一者减去所述目标集合中的每一者计算多个不同系数图像平面，所述不同系数图像平面具有每一系数的多个不同系数值，及(2)分析所述不同系数图像平面以检测缺陷。在进一步方面中，通过将来自所述不同系数图像平面的每一xy位置处的所述不同系数值的图像点标绘为具有用于每一系数的轴的散点图且将此类散点图的图像点集群为受关注的缺陷图像点、扰乱图像点或背景图像点的集群来分析所述不同系数图像平面。在又进一步方面中，通过将来自所述不同系数图像平面的每一xy位置的所述不同系数值的图像点投影到单位球面上且将此类经投影图像点集群为受关注的缺陷图像点、扰乱图像点或背景图像点的集群来分析所述不同系数图像平面。
在又另一实例中，所述方法包含(i)由收集自每一聚焦平面处的目标及参考的强度数据集合产生多个不同图像、(ii)组合所述不同图像以形成跨焦点的融合图像，及(iii)分析所述融合图像以进行缺陷检测。在进一步方面中，所述方法包含(i)将具有类似值的所述系数分组在一起以形成多个不同段，其中每一段对应于实际装置结构的不同部分，及(ii)基于何种类型的实际装置对应于所述不同段以不同的严密性分析所述不同段以检测缺陷。
在另一实施方案中，所述方法包含依据强度数据集合的第二目标集合及强度数据集合的第二参考集合中的每一xy位置的聚焦设置变化分析强度变化之间的差。在另一方面中，所述聚焦设置由多对聚焦设置构成，其中每一对聚焦设置分开一定步长值，所述步长值是在所述检验系统的聚焦深度的分数内。
在替代实施例中，本发明涉及一种检验系统，所述检验系统包含：照明光学器件模块，其用于产生入射光束并引导所述入射光束朝向多个聚焦设置下的半导体样本；及收集光学器件模块，其用于响应于所述入射光束在多个聚焦设置下从所述样本的多个xy位置中的每一者收集强度数据集合。所述系统进一步包含经配置以执行上文列出的方法操作中的一或多者的控制器。
下文参考图式进一步描述本发明的这些及其它方面。
附图说明
图1A是根据本发明的一个实施例的体积检验途径的图表表示。
图1B展示根据本发明的某些实施例的用于提取独特的电磁(EM)3D体积(VM)参数的过程的图表表示。
图2是根据本发明的一个实施例的说明体积检验过程的流程图。
图3A是根据本发明的特定实施方案的用于促进3D强度数据结构的构造的晶片扫描过程的图表表示。
图3B展示用于图3A的晶片的多个扫描带(Swath_1、Swath_2…Swath_n)。
图3C是根据本发明的一个实施例的说明对准程序的流程图。
图3D是根据本发明的一个实施例的3D图像构造及体积(VM)参数提取的图表表示。
图4是根据本发明的一个实施例的由实例不同VM图像构造的3D散点图。
图5A说明根据本发明的一个实施例的VM不同图像像素到单位球面上的3D投影。
图5B展示根据本发明的一个实施例的DOI像素及背景/扰动像素分离的经投影单位球面的实例。
图6展示根据本发明的另一实施例的基于经提取VM参数的区域分段的实例。
图7是其中可实施本发明的技术的实例检验系统的图表表示。
图8提供根据某些实施例的检验设备的图表表示。
具体实施方式
在以下描述中，阐述许多特定细节以提供对本发明的透彻理解。可在无这些具体细节的一些或全部的情况下实践本发明。在其它实例中，尚未详细描述众所周知的组件或过程操作以免不必要地混淆本发明。虽然将结合特定实施例描述本发明，但是应了解，并不旨在将本发明限于所述实施例。
可对具有被设计为相同的区域的任何适当样品实施本文中描述的检验技术。一个实例样品是具有被设计为相同的多个裸片或单元阵列的半导体主光罩。样品还可呈半导体主光罩、太阳能面板、计算机磁盘等形式。
集成电路晶片通常包含多个且相同的装置裸片。某些常规半导体检验模式是基于样本上被设计为相同的特征的比较。来自比较结果的所得异常可被识别为缺陷候选者。举例来说，裸片对裸片检验包含比较被设计为相同的两个裸片。单元-对单元检验包含比较被设计为相同的两个单元。与“扰乱”缺陷或噪声相比，两个图像之间检测到的每一差异有可能是实际缺陷。即，一些已检测到的缺陷候选者将不会影响集成电路的对应部分，且因此可被视为“假”缺陷。
典型的裸片对裸片检验结果可通常受被检验及比较的相同裸片或单元区域之间的相对聚焦或散焦差异的水平影响。举例来说，来自两个裸片的两个对应但并不等同聚焦的裸片部分可导致检测到假缺陷或未能检测此类不等同聚焦的裸片部分中的真正缺陷。虽然存在用于缓解裸片对裸片检验中的此聚焦问题的许多技术，但是难以维持跨整个晶片的最佳聚焦。
本发明的某些实施例包含裸片对裸片检验，其中图像是以跨整个晶片的聚焦偏离值的集合获得且用作三维(3D)聚焦数据以增强缺陷或扰乱区分以进行图案化晶片检验。图1A是根据本发明的一个实施例的体积检验过程的图表表示。在某些实施例中，使用检验器102以通过多个聚焦设置(z)获得样本106(例如半导体晶片)的图像。通过堆叠通过接着可用于各种检验应用的不同聚焦设置(z)获取的图像来构造用于每一目标(例如，104a)及参考(104b)的3D聚焦数据结构或“体积”检验数据结构。
在如下文进一步描述的某些应用中，组合来自3D图像的信息以(1)允许空间分段，这实现比常规检验系统的标准光学分辨率可支持的分辨率更精细的分辨率以支持微关注区域检验应用，(2)实现电磁(EM)体积参数(VM参数)的提取以增加缺陷对背景/扰乱分离，及(3)实现由此类VM参数构造的图像的融合以还增加缺陷对背景/扰乱灵敏度。这些应用以及下文描述的其它应用可增强晶片检验的总灵敏度以及其它方面。
理论上，获取不同聚焦高度处的晶片图像可被表达为将已知相位添加到从晶片表面返回的EM场。已知在显微镜检查的领域中，相位干扰可有效地增加缺陷/背景对比度。通过将样本移动到不同聚焦平面执行缺陷检测最终导致相位干扰，这实现从背景及缺陷两者提取相位信息。检测灵敏度是使用相位及强度数据两者增强。标准晶片检验依赖于受关注的缺陷(DOI)与背景之间的强度差，这是因为强度可直接检测。
在特定实例中，可组合傅里叶光学器件(Fourier optic)及聚焦相位扰动效应使得可简单地在例如例如下文进一步描述的多项式方程式中表达对EM晶片返回的聚焦相位干扰的独特表示。图1B展示根据本发明的某些实施例的用于从获自样本的3D图像数据提取独特EM 3D体积参数的过程的图表表示。如所示，在多个x、y、z位置处从样本收集强度(例如，图像)数据集合(152a～152e)。换句话说，可将每一样本划分为多个x、y位置，且在多个z聚焦设置下将每一x、y位置成像。3D强度数据可被视为多个强度z平面以形成3D图像数据结构。举例来说，平面152a表示第一聚焦设置及多个xy位置的强度数据，而平面152b表示第二设置及与平面152a相同的xy位置的强度数据。实际上，所有平面涉及相同的xy位置集合的强度数据。
接着，可依据z将3D图像数据变换为每一xy位置的多个多项式方程式。每一xy位置的多项式可具有任何适当数目的项及对应系数。在本实例中，具有三项及对应系数A、B及C的多项式产生自3D图像数据。所提取的项数可改变。举例来说，所选择的系数数目取决于用于获得体积数据的聚焦范围。大约三个系数(A～C)充分适用于接近1或2DOF(聚焦深度)的聚焦范围，而大约五个系数(A～E)充分适用于接近3或4DOF的聚焦范围。大约七个系数(A～G)可用于接近3或6DOF的聚焦范围，以此类推。
每一对连续离焦设置之间的聚焦步长通常经控制使得连续聚焦平面之间的图像具有足够的关联性以实现良好的图像对准。连续图像的聚焦步长可经选择在系统的DOF的分数内。实例聚焦设置步长是DOF的1/3或1/2。
不同xy位置的系数值还可各自被表示为图像平面或值矩阵。如所示，第一矩阵154含有每一xy位置的A系数值；第二矩阵156具有每一xy位置的B系数值；且第三矩阵158具有每一xy位置的C系数值。可针对每一xy位置的强度值的每一集合产生以下方程式[1]：
I(x,y,z)＝A(x,y)Δz2+B(x,y)Δz+C(x,y) 方程式[1]
总而言之，VM公式由n阶多项式表示I(z)的行为、特定晶片xy位置的强度且作为聚焦平面z的函数。多项式系数[例如A(x,y)、B(x,y)及C(x,y)]含有产生自晶片的EM场的强度及相位信息。实际上，电磁(EM)体积参数(VM参数)提取自3D强度数据。这些VM参数可在如下文进一步描述的数个应用中使用以增强检验。
图2是根据本发明的一个实施例的说明体积检验过程200的流程图。最初，在操作202中选择一或多个扫描带的第一集合。在操作204中还针对扫描带的当前集合选择第一聚焦设置。跨一或多个扫描带的当前集合扫描当前聚焦设置下的入射光束，且作为响应，在操作206中收集图像数据。在操作206中还可收集编码器数据。
图3A是根据本发明的特定实施方案的用于促进3D强度数据结构的构造的晶片扫描过程的图表表示。图3B展示图3A的晶片350的多个扫描带371(Swath_1、Swath_2…Swath_n)。如图3A中所示，部分354是具有一行裸片(例如，356a～356e)的晶片350的部分351的放大。在此经说明实例中，针对跨蜿蜒图案的一行裸片的两个扫描带的扫描选择第一聚焦。举例来说，检验包含在第一聚焦设置下扫描入射光束及收集从左移动到右的第一方向上(例如，swath_0上方)的图像或强度数据，及在从右移动到左的相反第二方向上(例如，swath_1上方)在相同第一聚焦设置下扫描入射光束。可采用其它扫描方案。举例来说，扫描可通过移动任一或两个载台及入射光束以导致载台与光束之间的相对移动来实现。一个实例替代扫描系统是回扫泛洪系统。在泛洪系统中，光束/照明覆盖面积是固定的，而载台随着扫描仪移动。此外，泛洪照明系统的分辨率通常受成像光学器件控制，而非受照明光斑大小控制。
用于对准不同聚焦设置的图像集合的下一个操作208仅在已针对一个以上聚焦设置收集图像数据的一个以上集合之后适用。因此，对于第一聚焦设置，跳过操作208。相反地，接着可在操作210中确定是否存在更多聚焦设置以循环通过预定义集合的聚焦设置中的每一者。因此，如果有更多聚焦设置要选择，那么过程继续进行到操作204，其中选择下一个聚焦设置。在操作206中针对此下一个聚焦设置收集图像数据。
检验可包含跨特定聚焦设置下的任何数目的晶片的裸片或裸片位置的连续扫描，且每一聚焦设置的扫描图案取决于任何数目的因素。一个因素是热膨胀，其在检验工具已操作特定时段之后影响实际聚焦设置或交叉聚焦图像对准。举例来说，有利的是，在小于热膨胀显著地影响位置设置以及检验工具可多快地扫描所述扫描带所消耗的平均或最小时间的时间中循环通过所有聚焦设置。举例来时，可在通常小于5分钟内可离焦地扫描多个扫描带。循环通过2个扫描带的聚焦设置似乎运行良好，但是其它数目也可能运行良好。
在针对两个聚焦设置收集两个图像数据集合之后，还可在操作208中对准不同聚焦设置下收集的图像数据集合以建立3D检验数据结构。替代地，可在以不同聚焦设置收集所有图像数据集合之后对准图像数据。
与何时发生对准过程无关，理想状况下均实现离焦图像之间的精确x/y空间对准以充分利用3D图像数据。在一个实施例中，收集实时x/y载台编码器数据以实现不同聚焦高度处获取的图像的完全对准。还实时记录z载台编码器计数使得可如下文进一步描述那样提取VM参数且无误差。
可利用任何适当程序以对准来自不同聚焦设置的3D图像数据。图3C是根据本发明的一个实施例的说明3D图像对准300的流程图。最初，可在操作302中确定新的扫描带扫描是否已开始于新的聚焦设置。举例来说例如，检验工具准备在第一聚焦设置下扫描图3A的扫描带358a。
为了获得编码器位置数据，可将指令发送到载台编码器系统以将xyz位置数据记录到一或多个编码器缓冲区中，且接着将另一指令发送到载台编码器系统以将xyz位置数据从编码器缓冲区转储或“写入”到系统存储器中。
虽然xyz编码器系统可被指示随着扫描带的扫描而记录实时xyz编码器位置数据并将此数据写入到系统存储器，但是特殊固件可经配置以实现实时双向通信。替代地，循序读/写技术还将有效使得系统使用扫描回转时间以写入并获得xyz编码器位置数据。图3C说明实例编码器处置过程。在操作306中可起始实时xyz编码器数据到编码器缓冲区中的记录。举例来说，编码器记录器在扫描带扫描358a(图3A)之前的点360a处开启。因此，随着在扫描带扫描358a期间收集图像数据，xyz编码器数据被记录到编码器缓冲区中。
接着，可在操作308中确定当前扫描带扫描是否已结束。在图3A的实例中，过程300等待扫描带扫描358a完成。编码器记录器可关闭且接着可在操作310中将xyz编码器数据从编码器缓冲区写入到系统存储器中。举例来说，实时编码器数据集合与其相关联的图像数据集合一起被提供给图像处理系统(例如，图7的系统700)。如图3A中所示，在扫描带扫描358a之后的点360b处关闭编码器记录器，且接着可在点360c处将编码器数据集合转储到系统。在载台正执行扫描回转过程的同时发生此写入过程，其消耗的时间长于将xyz编码器数据写入到系统存储器中所消耗的时间。因此，可并行执行扫描带回转时间以从编码器缓冲区收集xyz编码器位置数据。举例来说，载台正移动到某个位置以开始从右到左扫描下一个扫描带358b。
接着，可在操作312中确定检验是否已结束。举例来说，确定检验工具是否已扫描所有扫描带。如果检验尚未结束，那么接着可在操作314中确定是否将在相同聚焦设置下执行下一扫描带扫描。在所说明的实例中，将在与先前扫描带扫描358a相同的聚焦设置下执行下一扫描带扫描358b。因此，对准过程进行到操作306，在操作306期间起始实时xyz编码器数据的记录。举例来说，在图3A的点360d处开启编码器记录器。在相同聚焦设置下的此扫描带扫描358b结束时，在点360e处再次停止编码器记录器，且在点360f处转储编码器数据。对于新的聚焦设置，用于获得编码器数据的过程与添加在操作304中还获得实时z编码器数据是类似的。重复对准过程直到在所有聚焦设置下扫描一或多个扫描带(例如，2个扫描带)的当前集合。接着，可在操作316中基于实时x、y、z编码器数据精确地对准来自不同聚焦设置的3D图像数据。
返回参考图2，接着可在操作216中确定是否已扫描所有扫描带。如果保留更多扫描带，那么所述过程可接着在操作218中移动到扫描带的下一个集合，且针对此类扫描带离焦重复图像收集以及编码器位置数据收集。
在从不同聚焦设置下的一或多个扫描带的每一集合收集编码器及图像数据的同时，在操作212中可针对每一目标及参考位置从经对准3D图像数据提取多项式参数。接着，可在操作214中对经提取多项式数据执行各种分析过程以检测一或多个扫描带的当前集合中的缺陷。即，离焦处的特定扫描带的3D图像数据的每一集合可经分析为此3D图像数据是针对一或多个扫描带的每一集合而构造。替代较低效率的实例将必须在离焦扫描晶片的所有扫描带之后分析3D图像数据。
图3D是根据本发明的一个实施例的3D图像构造及VM参数提取的图表表示。此图表说明具有具备系数A～E的5项的多项式表达的公式。
呈图像平面382a～382e的形式的3D图像数据可首先被重新布置为2D矩阵388。举例来说，平面382a被布置为2D矩阵388的第一列，例如384a。其它平面382b～382e被各自布置为2D矩阵388的列中的个别其它列。以下方程式[1]以2D矩阵表示已收集的强度数据：
以上方程式[1]表示由不同聚焦设置z处的图像数据的m个平面形成的2D矩阵Ikl，且具有k行(表示空间成像像素强度)及l列(表示不同的m个平面)。对图像中的每一者重新排序使得2D图像被表示为向量。原始图像中的每一(i,j)被映射到k索引中使得k＝i*nx+j。注意，i是行索引，且j是列索引。换句话说，i表示y中的位置且j表示x中的位置。矩阵Tkm表示不同xy位置的系数值，其对应于不同行；且可由以下项表达：
矩阵Zml表示针对其中获取3D体积图像的不同平面的z变化，且可被表达为：
接着可由以下项确定系数矩阵：
接着可由以下项表示3D图像数据的多项式：
Iij(Δz)＝AijΔz4+BijΔz3+CijΔz2+DijΔz+Eij(Δz＝0)
所提取的体积(VM)系数可用于任何适当目的，例如以增加缺陷/背景对比度及/或提取高于光学分辨率空间分段以实现精细结构的定义，例如SRAM微关注区域的定义。
在一个应用中，VM系数可被表示为VM图像(含有来自晶片图案及DOI的EM信息)，且这些VM图像可用于增强DOI对背景/扰乱的可见度。在检测期间，在目标及参考部位处获得VM图像。在三个系数的实例中，可确定目标与参考(标示为Adif(x,y)、Bdif(x,y)及Cdif(x,y))之间的不同VM图像。
理论上，DOI具有不同于背景的物理外观(例如物理缺陷)及/或由不同于背景的材料(例如污染物)组成。因此，预期来自DOI的EM响应不同于背景的EM响应。因此，检查VM参数差应导致更好地区分DOI对扰乱/背景。此理论曾在经图案化晶片上测试过。图4是根据本发明的一个实施例的由实例不同VM图像构造的3D散点图。根据由Adif(x,y)、Bdif(x,y)及Cdif(x,y)构造的此实例3D散点图，显而易见的是，DOI像素404基本上不同于背景像素402。集群过程可经实施以区分DOI像素与扰乱/背景像素。可使用任何适当的集群过程。实例包含最接近的相邻集群、质心集群、基于分布的集群、基于密度的集群等。
为了更容易地区分DOI与背景/扰乱，3D散点图中的每一点可被投影到单位球面中。投影允许每一点具有指定的角位置(θ,φ)。角容限范围的集合范围内的(θDOI,φDOI)外的像素可被滤除以增强DOI/扰乱可见度。即，3D投影(或散点图)中的离群值可被指定为DOI。角度滤波器可应用于投影点使得大幅增强缺陷的可见度。
可对不同像素设置阈值以进行缺陷检测。举例来说，如果参考与目标之间的经滤波差值(绝对值)大于预定义阈值，那么像素可被定义为受关注的缺陷(DOI)且被重检为缺陷候选者。可对散点图或投图像素设置阈值。此外，散点图的某些区域(或点集群)或3D投影的角(集群)区域可被指派不同阈值。举例来说，离群值区域可被指派更大灵敏度阈值使得更频繁地发现缺陷，而非离群值或集群区域可被指派更小灵敏度阈值或没有被设置阈值。
图5A说明根据本发明的一个实施例的VM不同图像像素到单位球面500上的3D投影。图5B展示具有DOI像素552及背景/扰乱像素(未标记)的投影单位球面的实例。单位球面500(图5A)具有三个维度：Cdif、Bdif及Cdif。
基于实验数据，上面投影有像素值的球面的不同区域趋向于含有DOI。举例来说，对应于标绘图504a的区域502a趋向于包含具有远离零聚焦平面的最佳聚焦位置的DOI且具有具备相对较弱信号强度的DOI。同样地，区域502b(对应于标绘图504b)具有非零最优聚焦处的相对较弱信号强度DOI。相反地，区域502c(对应于标绘图504c)及区域502d(对应于标绘图504d)趋向于具有最佳零聚焦处的DOI。然而，仅区域504d趋向于具有具备相对较强信号强度的DOI，而区域504c具有具备相对较弱信号强度的DOI。因此，可选择来自某些集群区域的DOI以供进一步分析(例如，设置阈值)或用大于其它区域的灵敏度(例如，大于其它区域的灵敏度阈值)来分析。通过观察多项式函数的行为可了解被投影到球面上的强/弱目标的位置。Cdif(x,y)是多项式函数中的常数项。此常数项描述全局最大值(向下2阶多项式)或全局最小值(向上2阶多项式)的量值。较大的Cdif对应于全局最大值或全局最小值的较大量值；因此，缺陷更大。具有大的Cdif的球面被标绘在上半球或下半球上(例如，图5A的502d)。
在使用3D图像数据的另一应用中，可实施聚焦融合。如果DOI及背景/扰乱的本质不同，那么预期DOI及背景/扰乱的离焦行为可不同。聚焦融合是进一步区分DOI与扰乱的技术。聚焦融合可通过针对每一像素以任何适当方式将跨焦点平面值的强度组合在一起来实施。在一个实施方案中，跨焦点平面的强度一起相乘以形成更清晰地展示DOI的复合图像。举例来说，融合图像是通过使Image(x,y,deltaZ_1)*Image(x,y,deltaZ_2)等相乘而形成。通过此聚焦融合方法形成的复合图像将趋向于具有相对高于原始固定聚焦平面图像的信噪比(SNR)。聚焦融合可与VM角投影及角滤波器技术组合以获得具有高于复合及原始图像的SNR的经滤波复合图像。接着，可如上所述那样对目标及参考区域的所得复合图像设置阈值。
经提取VM参数还可用于提取无法通过光学分辨进行分辨的装置结构。如上文提及，VM参数与产生自晶片图案的电磁场有紧密联系。所述信息可用于基于发射自晶片的EM场将光学图像切细到不同的微区域中。图6展示根据本发明的另一实施例的基于经提取VM参数的区域分段的实例。展示经切细图像的两个放大图像部分602a及602b。为了清楚目的，未展示整个光学图像。基于VM参数性质，每一图像可被分段为不同区域，且每一区域可由不同颜色(示为图6中的黑色及白色外形区域)或其它标示符表示以将不同区域彼此区分。举例来说，图像部分602a含有区域R1、R2及R3，而图像部分602b含有区域R4、R5及R6。可看到不同区域对应于实际装置结构。可在不同关注等级下分析不同段。举例来说，可在灵敏度大于其它结构的阈值下分析对应于特定灵敏的SRAM结构的段。
在替代实施例中，离焦收集的强度变化(ΔI/Δz)可用于比较参考图像与目标图像之间的区别。通过进行ΔI/ΔZ测量，强度测量可变得相敏以提供更高的灵敏度，尤其对于由缺陷引发的相变。举例来说，参考图像与目标图像之间新产生的图像差(其以散焦中的强度导数进行计算)可用于经由自适应性阈值设置技术来检测缺陷。
在一个实例中，可首先确定相同的x-y位置处的两个不同聚焦设置的强度差。此差计算可对区域(而不仅仅单个点)执行，(dI)/(dz)在x及y方面如何变化是受关注的。如果图像来自2个以上聚焦，那么一种途径通过(I1-I2)/(Δz)更精确地估计(dI)/(dz)，其中忽略更高阶项。由于(dI)/(dz)在数学上应为平滑函数，所以对多个聚焦平面的多次测量可提供对(dI)/(dz)的更好估计。
举例来说，选择图像权重的集合使得几乎全部为1阶。在另一途径中，简单曲线拟合技术将提供更优性能，代价是更多计算时间。在此技术中，将每一像素的强度对z数据拟合到多项式模型，且接着提取所需一阶分量以计算相位。通过拟合到更高阶多项式，可获得一阶导数的更精确估计。可使用对所有图像同等加权的最小二乘多项式拟合。多项式拟合函数的阶数通常小于所使用的图像数目，且更多图像将导致更优的噪声性能且不牺牲精确度。从计算来看，每一像素可独立处理且通过标准拟合技术(最小二乘曲线拟合)拟合到多项式。逐个像素处理充分适合于并行计算，例如图形处理单元(GPU)上的计算。
可在硬件及/或软件的任何适当组合中实施本发明的技术。图7是其中可实施本发明的技术的实例检验系统700的图表表示。检验系统700可从检验工具或扫描仪(未展示)接收输入702。检验系统还可包含用于分配所接收输入702的数据分配系统(例如704a及704b)、用于处理所接收输入702的特定部分/斑块(patch)的强度信号(或斑块)处理系统(例如，斑块处理器及存储器706a及706b)、用于在多个聚焦等处产生3D图像数据的VM产生器系统(例如，VM产生器处理器及存储器712)、用于允许检验系统组件之间的通信的网络(例如，交换网络708)、任选大容量存储装置716及用于重检检验结果的一或多个检验控制及/或重检站(例如，710)。检验系统700的每一处理器通常可包含一或多个微处理器集成电路且还可含有接口及/或存储器集成电路，且可另外耦合到一或多个共享及/或全局存储器装置。
用于产生输入数据702的扫描仪或数据采集系统(未展示)可呈任何适当仪器的形式(例如，如本文中进一步描述)以获得晶片的强度信号或图像。举例来说，扫描仪可构造光学图像或基于被反射、透射或以其它方式引导到一或多个光传感器的所检测光的部分而产生晶片的部分的强度值。扫描仪可接着将强度值或图像以及编码器位置数据输出到检验系统。
晶片大体上被划分为多个斑块部分，从所述斑块部分获得来自多个点的多个强度值。晶片的斑块部分可经扫描以获得此强度数据。取决于特定系统及应用要求，斑块部分可具有任何大小及形状。一般来说，可通过以任何适当方式扫描晶片而获得每一斑块部分的多个强度值。举例来说，可通过光栅扫描晶片而获得每一斑块部分的多个强度值。替代地，可通过用任何适当图案(例如圆形或螺旋形图案)扫描晶片而获得图像。当然，可必须不同地(例如，以圆形图案)布置传感器及/或在扫描期间可不同地移动(例如，旋转)晶片以从晶片扫描圆形或螺旋形状。
在下文所说明的实例中，随着晶片移动通过传感器，从晶片的矩形区域(本文中称为“扫描带”)检测到光且此检测光被转换为每一斑块中的多个点处的多个强度值。在此实施例中，扫描仪的传感器经布置成矩形图案以接收从晶片反射及/或透射的光且从所述光产生对应于晶片的斑块的扫描带的强度数据的集合。在特定实例中，每一扫描带可为约100万个像素宽及约1000至2000个像素高，而每一斑块可为约2000个像素宽及1000个像素高。
可使用以任何合适方式设置的光学检验工具来获得每一斑块的强度值。光学工具大体上是用操作参数的集合或对于用于获得强度值的不同检验运行基本上相同的“配方”来设置。配方设置可包含以下设置中的一或多者：用于以特定图案扫描晶片的设置、像素大小、用于从单个信号分组邻近信号的设置、聚焦设置、照明或检测孔隙设置、入射光束角度及波长设置、检测器设置、反射或透射光量的设置、空中建模参数等。
可由数据分配系统经由网络708接收强度或图像数据702(包含编码器位置数据)。数据分配系统可与一或多个存储器装置(例如RAM缓冲区)相关联以保存所接收数据702的至少部分。优选地，总存储器足够大以保存数据的整个扫描带。举例来说，对于100万个像素或点乘以1000个像素或点的扫描带，千兆字节的存储器运行良好。
数据分配系统(例如，704a及704b)还可控制所接收输入数据702的部分到处理器(例如，706a及706b)的分配。举例来说，数据分配系统可将(多个聚焦设置下的)第一斑块的数据路由到第一斑块处理器706a，且可将(多个聚焦设置下的)第二斑块的数据路由到斑块处理器706b。还可将多个斑块的多个数据集合路由到每一斑块处理器。
斑块处理器可接收强度值或对应于晶片的至少部分或斑块的图像。斑块处理器还可各自耦合到一或多个存储器装置(未展示)(例如提供局部存储器功能的DRAM装置，所述功能例如保存经接收数据部分)或与所述一或多个存储器装置整合。优选地，存储器足够大以保存对应于晶片的斑块的数据。举例来说，斑块可为512乘以1024个像素。斑块处理器还可共享存储器。
输入数据702的每一集合可对应于晶片的扫描带。一或多个数据集合可存储于数据分配系统的存储器中。可由数据分配系统内的一或多个处理器控制此存储器，且可将所述存储器划分为多个分区。举例来说，数据分配系统可将对应于扫描带的部分的数据集合接收到第一存储器分区(未展示)中，且数据分配系统可将对应于另一扫描带的另一数据集合接收到第二存储器分区(未展示)中。优选地，数据分配系统的存储器分区中的每一者仅保存待路由到与此存储器分区相关联的处理器的数据部分。举例来说，数据分配系统的第一存储器分区可保存第一数据且将第一数据路由到块处理器706a，且第二存储器分区可保存第二数据且将第二数据路由到斑块处理器706b。
可使入射光或检测光穿过任何适当空间孔隙以产生成任何适当入射角的任何入射或检测光轮廓。举例来说，可编程照明或检测孔隙可用于产生特定光束轮廓，例如偶极、四极、类星体、圆环等。在特定实例中，可实施光源屏蔽优化(SMO)或任何像素化照明技术。在其它实施例中，使用偏光器及分析器以获得偏振强度/图像数据。
数据分配系统可基于数据的任何适当参数而定义及分配数据的每一数据集合。举例来说，可基于晶片上的斑块的对应位置而定义及分配数据。在一个实施例中，每一扫描带与对应于所述扫描带内的像素的水平位置的一系列的列位置相关联。举例来说，扫描带的列0到256可对应于第一斑块，且此类列内的像素将包括路由到一或多个斑块处理器的第一图像或强度值的第一集合。同样，扫描带的列257到512可对应于第二斑块，且这些列中的像素将包括路由到不同斑块处理器的第二图像或强度值的第二集合。所述列可由系统基于编码器位置数据对准或由扫描仪对准。
可在获自各种经特殊配置的检验系统(例如图8中示意性说明的系统)的图像及编码器位置数据上或对所述图像及编码器位置数据实施本文中描述的检验扫描技术。所说明的系统850包含照明源860，所述照明源860产生通过照明光学器件851a而引导到平面852中的样本S(例如光罩或晶片)上的至少一个光束。检验系统850可在平面852处具有数值孔隙851b。照明光学器件851a还可包含用于实现具有不同特性的一或多个入射光束的各种透镜及模块。待检验/测量的样本S被放置于平面852处的载台机构804上且被暴露于光源。载台机构将包含编码器，举例来说，所述编码器可操作以将编码器位置信息记录在其编码器缓冲区中并写入此数据以由图7的系统接收。
可通过光学元件853a的集合而引导来自样本S(例如，掩模)的透射图像，光学元件853a将图案化图像投影到传感器854a上。光学元件(例如，分束器876及检测透镜878)经布置以将来自样本S的反射及/或散射光引导并捕获到传感器854b上。适当传感器包含电荷耦合装置(CCD)、CCD阵列、时间延迟积分(TDI)传感器、TDI传感器阵列、光倍增管(PMT)及其它传感器。某些检验工具可仅包含反射聚光光学器件853b(或其它散射光学器件)及传感器854b，不包含光学器件853a及传感器854a。
可通过任何适当机构相对于掩模载台而移动照明光学器件列及/或相对于检测器或相机而移动载台以扫描主光罩的斑块。举例来说，电机机构可用于移动载台。举例来说，电机机构可由螺杆驱动器及步进电机、具有反馈位置的线性驱动器、或带致动器及步进电机形成。
可通过向上及向下移动载台(804)或通过沿光学轴移动检测器(854b)或移动载台及检测器两者而实现离焦图像获取。
可由控制器系统873(例如由一或多个信号处理装置)处理由每一传感器(例如，854a及/或854b)捕获的信号，所述一或多个信号处理装置可各自包含经配置以将来自每一传感器的模拟信号转换为用于处理的数字信号的模拟转数字转换器。控制器系统873可包含耦合到输入/输出端口的一或多个处理器及经由适当总线或其它通信机构的一或多个存储器。
控制器系统873还可包含用于提供用户输入(例如改变聚焦及其它检验配方参数)的一或多个输入设备(例如，键盘、鼠标、操纵杆)。控制器系统873还可连接到用于例如控制样本位置(例如，聚焦及扫描)的载台定位机构且连接到其它检验/度量系统组件，所述系统组件用于控制此类组件的其它检验参数及配置。
控制器系统873可经配置(例如，利用编程指令)以提供用于显示所得强度值、图像及其它检验/度量结果的用户接口(例如，计算机屏幕)。控制器系统873可经配置以产生3D图像结构、经提取系数、融合结果、分段图像、投影数据及/或经反射及/或经透射感测光束的其它变换。控制器系统873可经配置(例如，利用编程指令)以提供用于显示所得强度值、图像、标绘图、投影及其它检验/度量特性的用户接口(例如，位于计算机屏幕上)。在某些实施例中，控制器系统873经配置以实行上文所详述的检验技术。
因为可在经特殊配置的计算机系统上实施此类信息及程序指令，所以此系统包含用于执行本文中描述的各种操作的程序指令/计算机程序码(其可存储于非暂时性计算机可读媒体上)。机器可读媒体的实例包含(但不限于)：磁性媒体，例如硬盘、软盘及磁带；光学媒体，例如CD-ROM光盘；磁光媒体，例如光盘；及硬件装置，其经特殊配置以存储及执行程序指令，例如只读存储器器件(ROM)及随机存取存储器(RAM)。程序指令的实例包含例如由编译程序产生的机器程序代码及含有可由计算机使用解译器来执行的更高级程序代码的文件两者。
在某些实施例中，用于检验半导体晶片的系统包含至少一个存储器及至少一个处理器，所述至少一个处理器经配置以执行本文中描述的技术。检验系统的实例包含可购自加利福尼亚州苗必达市的科磊公司(KLA-Tencor)的经特殊配置的29xx、8xxx或3xxx检验系统系列。
虽然已为了清楚理解的目的而详细描述本发明，但是应明白，可在所附权利要求书的范围内实践某些改变及修改。应注意，存在实施本发明的过程、系统及装置的许多替代方式。举例来说，检验强度数据可获自经透射、反射或组合输出光束。因此，本实施例应被视为具说明性而非限制性，且本发明不受限于本文中所给出的细节。

Claims (25)

1.一种用于检测半导体样本上的缺陷的方法，所述方法包括：
使用检验工具以在多个聚焦设置下从所述样本的多个xy位置中的每一者收集强度数据集合；
依据聚焦设置针对所述xy位置的经收集强度数据集合中的每一者提取具有多个系数的多项式方程式；
以对应系数图像平面表示用于所述多个xy位置的所述系数的值集合中的每一者以形成多个系数图像平面；及
分析多个不同系数图像平面以检测所述样本上的缺陷，所述多个不同系数图像平面基于所述系数图像平面的目标集合与所述系数图像平面的参考集合的比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述多个聚焦设置下从一或多个扫描带的下一集合之前的一或多个扫描带的第一集合收集强度数据，其中从其中收集所述强度数据的所述一或多个扫描带的第一集合及所述一或多个扫描带的下一集合中的所述扫描带的数目经选择为小于用于影响实际聚焦位置的热膨胀时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个扫描带包括第一及第二扫描带。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括：
从所述检验工具收集实时xy及z编码器位置数据；及
在针对所述xy位置的经收集强度数据集合中的每一者提取所述多项式方程式之前，基于所述经收集实时xy位置数据将来自每一聚焦设置的所述经收集强度数据对准。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在执行所述对准操作之前在所述多个聚焦设置下从xy位置的所述第一及第二扫描带收集强度数据。
6.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括
在所述聚焦设置中的第一者下从所述扫描带中的第一者收集强度数据之前起始xy编码器位置数据到编码器缓冲区中的记录，
当所述检验工具的载台回转以设置用于在所述聚焦设置中的所述第一者下从所述扫描带中的第二者收集强度数据时，将所述xy编码器位置数据从所述编码器缓冲区复制到系统存储器中用于存取以在所述对准操作中使用且接着在从所述第二扫描带收集强度数据之前起始xy编码器位置数据到所述编码器缓冲区中的记录；
当所述检验工具的载台回转以设置用于在从所述第二扫描带收集强度数据之后在所述聚焦设置中的第二者下从所述第一扫描带收集强度数据时，将所述xy编码器位置数据从所述编码器缓冲区复制到系统存储器中用于存取以在所述对准操作中使用且接着在所述聚焦设置中的所述第二者下从所述第一扫描带收集强度数据之前起始xy编码器位置数据到所述编码器缓冲区中的记录；及
在所述聚焦设置中的每一者下对后续多对扫描带重复起始记录及复制的所述操作。
7.根据权利要求1所述的方法，其中通过以下项执行分析：
通过从所述参考集合中的每一者减去所述目标集合中的每一者计算所述多个不同系数图像平面，所述不同系数图像平面具有每一系数的多个不同系数值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过将来自所述不同系数图像平面的每一xy位置处的所述不同系数值的图像点标绘成具有用于每一系数的轴的散点图以及将此类散点图的图像点集群为受关注的缺陷图像点、扰乱图像点或背景图像点的集群来分析所述不同系数图像平面。
9.根据权利要求7所述的方法，其中通过将来自所述不同系数图像平面的每一xy位置的所述不同系数值的图像点投影到单位球面上且将此类经投影图像点集群为受关注的缺陷图像点、扰乱图像点或背景图像点的集群来分析所述不同系数图像平面。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述不同系数图像平面经以下分析：
由收集自每一聚焦平面处的目标及参考的强度数据集合产生多个不同图像；
组合所述不同图像以形成跨焦点的融合图像；及
分析所述融合图像以用于缺陷检测。
11.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：
将具有类似值的所述系数分组在一起以形成多个不同段，其中每一段对应于实际装置结构的不同部分；
基于何种类型的实际装置对应于所述不同段而以不同的严密性分析所述不同段以检测缺陷。
12.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括依据强度数据集合的第二目标集合及强度数据集合的第二参考集合中的每一xy位置的聚焦设置变化分析强度变化之间的差。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚焦设置由多对聚焦设置构成，其中每一对聚焦设置分开一步长值，所述步长值是在所述检验系统的聚焦深度的分数内。
14.一种用于检验半导体样本的检验系统，其包括：
照明源，其用于产生入射光束；
照明光学器，其用于引导所述入射光束朝向多个聚焦设置下的半导体样本；
传感器，其用于响应于所述入射光束在多个聚焦设置下从所述样本的多个xy位置中的每一者收集强度数据集合；及
控制器，其经配置以执行以下操作：
依据聚焦设置针对所述xy位置的经收集强度数据集合中的每一者提取具有多个系数的多项式方程式；
以对应系数图像平面表示用于所述多个xy位置的所述系数的值集合中的每一者以形成多个系数图像平面；及
分析多个不同系数图像平面以检测所述样本上的缺陷，所述多个不同系数图像平面基于所述系数图像平面的目标集合与所述系数图像平面的参考集合的比较。
15.根据权利要求14所述的检验系统，其中在所述多个聚焦设置下从一或多个扫描带的下一集合之前的一或多个扫描带的第一集合收集强度数据，其中从其中收集所述强度数据的所述一或多个扫描带的第一集合及所述一或多个扫描带的下一集合中的所述扫描带的数目经选择为小于用于影响实际聚焦位置的热膨胀时间。
16.根据权利要求15所述的检验系统，其中所述多个扫描带包括第一及第二扫描带。
17.根据权利要求16所述的检验系统，其中所述控制器经进一步配置以：
从所述检验工具收集实时xy及z编码器位置数据；及
在针对所述xy位置的经收集强度数据集合中的每一者提取所述多项式方程式之前，基于所述经收集实时xy位置数据将来自每一聚焦设置的所述经收集强度数据对准。
18.根据权利要求16所述的检验系统，其进一步包括：
载台，其用于接收所述样本；
编码器缓冲区，其用于为所述样本存储编码器位置数据；以及
系统存储器，
其中所述控制器经进一步配置以：
在所述聚焦设置中的第一者下从所述扫描带中的第一者收集强度数据之前起始xy编码器位置数据到所述编码器缓冲区中的记录，
当所述检验系统的载台回转以设置用于在所述聚焦设置中的所述第一者下从所述扫描带中的第二者收集强度数据时，将所述xy编码器位置数据从所述编码器缓冲区复制到所述系统存储器中用于存取以在所述对准操作中使用且接着在从所述第二扫描带收集强度数据之前起始xy编码器位置数据到所述编码器缓冲区中的记录；
当所述检验t系统的载台回转以设置用于在从所述第二扫描带收集强度数据之后在所述聚焦设置中的第二者下从所述第一扫描带收集强度数据时，将所述xy编码器位置数据从所述编码器缓冲区复制到所述系统存储器中用于存取以在所述对准操作中使用且接着在所述聚焦设置中的所述第二者下从所述第一扫描带收集强度数据之前起始xy编码器位置数据到所述编码器缓冲区中的记录；及
在所述聚焦设置中的每一者下对后续多对扫描带重复起始记录及复制的所述操作。
19.根据权利要求14所述的检验系统，其中通过以下项执行分析：
通过从所述参考集合中的每一者减去所述目标集合中的每一者计算所述多个不同系数图像平面，所述不同系数图像平面具有每一系数的多个不同系数值。
20.根据权利要求19所述的检验系统，其中所述分析所述不同系数图像平面由下列步骤完成：
由在每一聚焦平面处收集的强度数据集合产生多个不同图像；
组合所述不同图像以形成跨焦点的融合图像；及
分析所述融合图像以用于缺陷检测。
21.根据权利要求19所述的检验系统，其中通过将来自所述不同系数图像平面的每一xy位置处的所述不同系数值的图像点标绘为具有用于每一系数的轴的散点图以及将此类散点图的图像点集群为受关注的缺陷图像点、扰乱图像点或背景图像点的集群来分析所述不同系数图像平面。
22.根据权利要求19所述的检验系统，其中通过将来自所述不同系数图像平面的每一xy位置的所述不同系数值的图像点投影到单位球面上以及将此类经投影图像点集群为受关注的缺陷图像点、扰乱图像点或背景图像点的集群来分析所述不同系数图像平面。
23.根据权利要求19所述的检验系统，其中通过将所述不同系数图像平面组合为单个融合图像并分析所述融合图像以用于缺陷检测来分析所述不同系数图像平面。
24.根据权利要求19所述的检验系统，其中所述控制器经进一步配置以：
将具有类似值的所述系数分组在一起以形成多个不同段，其中每一段对应于实际装置结构的不同部分；
基于何种类型的实际装置对应于所述不同段而以不同的严密性分析所述不同段以检测缺陷。
25.根据权利要求14所述的检验系统，其中所述控制器经进一步配置以：
依据强度数据集合的第二目标集合及强度数据集合的第二参考集合中的每一xy位置的聚焦设置变化分析强度变化之间的差。
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