JP2011192766A - 半導体ウェーハの外観検査方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体の微細化、プロセスの複雑化に伴いプロセスのマージンは減り、プロセスの条件出しが難しくなっているため半導体の開発初期においてはウェーハ全面において良品チップが存在しない場合があり、定点検査を実行する場合において、比較検査のための適切な基準画像を撮像することができないという課題を解決する技術を提供する。
【解決手段】複数チップの定点検査画像を用いて平均化画像を生成し、定点位置に対応する回路デザインに関する情報を用いて平均化画像を評価し、平均化画像を基準画像とするか否かを決定する。
【選択図】図８

Description

本発明は半導体ウェーハの外観検査において予め定められた位置における比較検査に関するものであり、特に比較検査に用いる基準画像を特定の場所から取得するのが困難な場合に有効な基準画像の生成方法に関する。

半導体の外観検査において極微細な欠陥を検出するために電子線顕微鏡で撮像された高解像度画像を用いることがあるが、電子線顕微鏡を用いた検査では極微細欠陥検出と、高速検査は両立しないので、予めチップ内の検査点を決め、ウェーハ内の全ての、あるいは選択されたチップの同一検査点の検査を行う定点観察（定点検査）を行う。この定点検査を基準画像との画像比較により実行すれば高感度な検査が実現する。電子線顕微鏡を用いた定点検査を半導体のプロセス開発の初期に用いることにより、発生している欠陥の外観情報と、ウェーハ面内における欠陥発生分布情報を得ることができ、これによりプロセスの条件出しを効率的に行うことができる。

これに関連する文献として、特許文献１には電子線顕微鏡を用いた定点観察方法として基準画像を用いた比較検査方法が開示されている。また、非特許文献１には電子線顕微鏡を用いた定点観察方法として検査画像を用いた欠陥の定量化の事例が開示されている。

特開２００９−３７９３９号公報

V.Svidenko， et al. ，"Powerful Quantitative Monitoring Tool Improves Cu and W Plug Fill"，pp.5-11，Issue Two 2004，Nanochip Technology Journal(2004)

半導体の微細化、プロセスの複雑化に伴いプロセスのマージンは減り、プロセスの条件出しが難しくなっている。このため半導体の開発初期においてはウェーハ全面において良品チップが存在しない場合もあり、比較検査のための基準画像を撮像することができないという課題があった。

特許文献１には電子線顕微鏡を用いた定点観察方法として予め記憶された基準画像を用いた比較検査方法が開示されているものの、上記課題にふれていないため、基準画像の取得方法については開示されていない。このため、特許文献１に記載の方法では、ウェーハ全面において良品チップが存在しない場合、基準画像を取得できず比較検査が実施できないという問題があった。

また、非特許文献１には電子線顕微鏡を用いた定点観察方法として撮像した欠陥画像を画像処理により定量化する方法が開示されている。しかしながら、基準画像を用いた比較検査については開示されていない。このため、非特許文献１に記載の方法では、微細欠陥を抽出可能な高感度検査が実施できないという問題があった。

上記問題に鑑み、本発明は、比較検査における基準画像の生成方法及び生成した基準画像の評価方法を提供することにより、良品が存在しない検査対象における比較検査の適用を可能とし、高感度検査を実現する外観検査方法及び外観検査装置を提供しようとするものである。

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次の通りである。
（１）複数のチップが形成された半導体ウェーハの外観を検査する外観検査方法であって、前記複数のチップ各々に対して互いに同一となるように形成された対応するパターンの観察位置を撮像するステップと、前記撮像された撮像画像を用いて平均化画像を生成するステップと、前記平均化画像を前記撮像画像に対応する回路デザインを表す情報と比較し、所定の条件を満たすものを基準画像を選定するステップと、前記基準画像と前記撮像画像とを比較して検査するステップと、を有することを特徴とする外観検査方法である。
（２）半導体ウェーハ検査方法においてはウェーハ上に作製された複数のチップの同一のチップ座標位置を撮像するステップと、該撮像された画像と基準画像を比較するステップと、該撮像された画像に対応する回路デザインの情報を用いて該撮像された画像から生成された該基準画像を評価するステップとを有する検査方法である。
（３）半導体ウェーハ上に作成された複数のチップの異なる位置を撮像するステップと、該撮像された画像と基準画像を比較するステップと、該撮像された画像に対応する回路デザインの情報を用いて該撮像された画像から生成された該基準画像を該異なる位置ごとに評価するステップを有する検査方法である。
（４）半導体ウェーハ上に作成された複数のチップの異なる位置を撮像するステップと、該撮像された画像と基準画像を比較するステップと、該撮像された画像に対応する回路デザインの情報を用いて該撮像された画像から生成された該基準画像を該同じ回路パターンを有する位置ごとに評価するステップを有する検査方法である。
（５）半導体ウェーハ上に形成された複数のチップ各々に対して互いに同一となるように形成された対応するパターンの観察位置を撮像する手段と、前記撮像された撮像画像と基準画像を比較する手段と、前記撮像画像に対応する回路デザインを表す情報が入力される入力手段と、前記回路デザインを表す情報を前記撮像画像と比較するようにデータを変換するデータ変換手段とを有する外観検査装置であって、前記撮像された撮像画像を用いて平均化画像を生成する手段と、前記平均化画像と前記撮像画像に対応する回路デザインを表す情報とを比較し、所定の条件を満たすものを前記基準画像として選定する手段と、を有することを特徴とする外観検査装置である。

本発明によれば半導体開発初期の良品チップの取れない状態においても、比較検査を実行するための基準画像を生成することが可能となる。これにより高感度な比較検査を実施することで欠陥の発生状況の把握が可能となり、プロセスの条件出しの迅速化を図ることが可能となる。

本願の第一実施例の構成図である。 ウェーハ上のチップの配列を示す図である。 チップとチップ座標を説明する図である。 観察位置における撮像画像の例を示す図である。 欠陥領域画像を生成するフローを示す図である。 定点観察のフロー図である。 基準画像を生成するために用いる定点観察画像の例である。 基準画像を生成するフロー図である。 回路デザイン画像の例である。 定点観察の第２のフロー図である。 基準画像生成のための第１の画面構成図である。 第１の画面構成における基準画像生成フロー図である。 基準画像生成のための第２の画面構成図である。 第２の画面構成における基準画像生成フロー図である。

図１に第１の実施例で用いる検査装置の全体構成を示す。ＳＥＭ装置本体１０は、以下の電子光学系及び検出系を備える。１０１は電子源であり、電子ビーム１００を射出する。射出された電子ビーム１００は電子レンズ１０２、１０３を通過した後、電子ビーム軸調整器１０４により非点収差やアライメントずれを補正される。１０５と１０６は２段の偏向器であり電子ビーム１００を偏向し、電子ビーム１００を照射する位置を制御する。偏向された電子ビーム１００は対物レンズ１０７により収束されてウェーハ１０８の撮像対象領域１０９に対して照射される。撮像対象領域１０９からは、照射された電子ビーム１００による２次電子と反射電子が放出され、２次電子および反射電子は一次電子ビーム通過穴１１０’を有する反射板１１０に衝突し，そこで発生した２次電子が電子検出器１１１により検出される。

検出器１１１で検出された２次電子および反射電子は、１２７で示す画像信号処理系のA/Dコンバータ１１２にてデジタル信号に変換され、メモリ１１４に格納される。なお，Ａ／Ｄコンバータとメモリとの間には加算回路１１３が配置されていてもよい。加算回路１１３は，電子ビーム１００を撮像対象領域１０９上でラスタ走査する場合に，同一のビーム照射位置で得られた検出信号の加算平均（フレーム加算）を算出することで，ショットノイズを小さくすることを可能になり、Ｓ／Ｎの高い画像を得ることができる。１１５は画像処理ユニットであり、メモリ１１４に格納された画像を用いて異常部の抽出，抽出異常部の寸法測定、異常部位の外観特徴算出などが行われる。後述する回路デザインを表すデータを用いた基準画像の生成を実行可能とするために，回路デザインを表すデータか，あるいはこれを変換したデータが画像処理ユニット１１５に入力できるようにしておく。 画像処理ユニット１１５はＳＥＭ撮像時の撮像位置ずれ補正をＳＥＭ画像と回路デザインを表すデータ、あるいはこれを変換したデータとのマッチングより求める機能を有する。この方法として、具体的には、正規化相関値の最大値をとる位置を，設計データと回路デザインを表すデータがマッチングをとれた位置として算出する方法を用いることができるが、他の方法を用いても構わない。

１１６はＸＹステージであり、これに載置したウェーハ１０８を移動させ、ウェーハ１０８の任意の位置の画像撮像を可能にしている。
１１７は二次記憶装置であり、メモリ１１４に格納された画像を記憶することが可能である。また，画像処理により得られた検査対象領域１０９の異常部や，異常部の外観特徴もメモリ１１４に格納することができる。１１８はコンピュータ端末であり、二次記憶装置１１７、あるいはメモリ１１４に格納された画像を表示することができる。また、ユーザは端末１１８に入力することにより、図１に示すＳＥＭ装置本体１０、画像処理系１２７、後述する全体制御系１１９等の様々な動作の制御、及び設定を行うことができる。

１１９は全体制御系であり、１２０は電子ビーム１００の電子源１０１の電流量制御ユニット，１２１は偏向器１０５と１０６を制御する偏向制御ユニット，１２２は電子レンズ１０２と１０３と１０４と１０７を制御する電子レンズ制御ユニット，１２３はＸＹステージ１１６の移動による視野移動を制御するステージ制御ユニット，１２４は検査シーケンス全体を制御するシーケンス制御ユニットである。１２６はデータ入力部であり，検査対象領域１０９の座標，およびＳＥＭ画像と比較すべき回路デザインを表すデータが入力される。１２５はデータ変換部であり， 回路デザインを表すデータをＳＥＭ画像との比較が実行容易なようにデータ変換を行う。なお、データ入力部１２６として端末１１８を用いる構成としても構わない。

図２に検査対象となるウェーハを上面からみた図を示す。ウェーハ上には互いに同一の回路パターンとなるように作成された多数のチップが格子状に並んでいる。各チップは図２に示すように行及び列番号にて指定することができる。図３に示すチップ３０は図２に示した多数のチップの中の一つを拡大したものである。観察位置３１はたとえばチップの左下に原点を持つチップ座標で指定される。観察位置３１のウェーハ上での位置であるウェーハ座標はチップの行及び列番号と、チップ座標から定まる。チップ３０内の観察位置は１点に限るものではなく、チップ内で互いに同一パターンとなるように形成された複数の点を用いてもよい。また、チップ内で互いに異なるパターンとなるように形成された点をそれぞれ指定し、各チップごとに対応する指定した点を観測するようにしても構わない。図４は図３の観察位置３１での撮像画像を表したものであり、たて方向のライン・アンド・スペースを表している。なお、図４は撮像画像の一例であり、撮像されるパターンはこれに限られるものではない。以降、同一ウェーハ上の異なるチップの同一チップ座標の画像を撮像し検査を行うこと、あるいは、予め定められた複数のチップの同一チップ座標の画像を複数のウェーハに渡って撮像し検査を行うことを定点観察あるいは定点検査と呼ぶことにする。

図５は画像処理にて検査を行うとき必要となる欠陥領域抽出処理の概略を示す図である。定点観察によって得られた定点観察画像５０は図４で示した定点観察位置での撮像画像である。ただし、図５の定点観察位置には欠陥５４が発生しており、定点観察画像５０は欠陥５４が撮像されている様子を示している。定点観察画像５０における欠陥領域の抽出は、例えば、欠陥を含まない基準画像５１との差分処理により行う。差分処理を施した画像を適切なしきい値で２値化することにより欠陥領域画像５２を生成し、欠陥領域５３を得る。欠陥領域５３に相当する定点観察画像５０上の領域の画像特徴を用いて欠陥を定量化する。

次に、定点観察のフローを図１と図６を用いて説明する。まず、ウェーハ１０８をＳＥＭ装置本体１０のステージ１１６上にロードし、ウェーハ上にあるアライメントマークを用いて、ウェーハ座標とステージ１１６の座標系を関連付ける（Ｓ６００）。次に、ユーザ端末１１８からの入力を受け、定点観察位置のチップ座標と、定点観察を行うチップの指定を行う（Ｓ６０１）。以降も必要な入力はユーザ端末１１８を介して行うこととする。なお、ステップＳ６００とステップＳ６０１の順番は逆でも構わない。次に基準画像の指定を行う（Ｓ６０２）。基準画像の指定は、指定されたチップの中から基準となるチップをさらに指定し、基準としたチップの定点観察位置が撮像対象領域１０９になるようステージ１１６の位置出しを行い、基準画像５１の撮像を行うことで実行される。基準画像はメモリ１１４あるいは二次記憶装置１１７に記憶され、図５で示した欠陥領域抽出のための差分処理実行時に再利用される。一つのチップ内に複数の定点観察位置が有る場合は、各点に対し基準画像を設定しても良いし、撮像される回路パターンの形状ごとにグループ分けして基準画像を設定しても良く、適宜設定可能である。以降、Ｓ６０１で指定された各チップに対し、Ｓ６０３からＳ６０７を実施し、最後の指定されたチップまでこれを繰り返す。まず、指定されたチップの定点観察位置が撮像対象領域１０９になるようステージ１１６の位置出しを行う（Ｓ６０３）。続いて定点観察画像５０を撮像し、メモリ１１４に記憶する（Ｓ６０４）。欠陥領域の抽出処理（Ｓ６０５）では、メモリ１１４に記憶された定点観察画像５０と、メモリ１１４あるいは二次記憶装置１１７に記憶された基準画像５１を用いて、両画像の差分処理を画像処理ユニット１１５で実行する。差分処理の結果得られる欠陥領域画像５２はメモリ１１４に記憶される。次に、欠陥領域画像５２から得られる欠陥領域５３を用いて、欠陥領域５３に相当する定点観察画像５０上の領域の画像特徴を画像処理ユニット１１５で計算し、欠陥の定量化を行う（Ｓ６０６）。続いて、次の定点観察を行うチップがある場合はＳ６０３に戻る（Ｓ６０７）。次の定点観察を行うチップが無い場合は、ウェーハをＳＥＭ装置１０のステージ１１６からアンロードする（Ｓ６０８）。なお、ステップＳ６０８はスキップし、ウェーハを装置内に保持したままで以降の処理を行っても構わない。最後に、各定点観察位置で計算された欠陥定量値をユーザ端末１１８に出力して終了する（Ｓ６０９）。ここで、出力の方法は、チップ内の定点観察位置ごとに、あるいはチップ内の同じ回路パターン形状を有する定点観察位置のグループごとに、図２で示したウェーハとチップの図に対し、定点観察を行ったチップの欠陥定量値を値に応じて疑似カラーなどを施して表示するウェーハマップと呼ばれる図を示したり、欠陥定量値に対するヒストグラムを表示したりなどが考えられる。図６のフローは同一ウェーハ上の異なるチップの予め定められたチップ座標の画像を撮像し検査を行うことを前提としているが、このほか、予め定められたチップの、予め定められたチップ座標の画像を、複数のウェーハに渡って撮像し検査を行うようにしてもよい。この場合には、チップ内の定点観察位置ごとに、あるいはチップ内の同じ回路パターン形状を有する定点観察位置のグループごとに、同一チップの複数ウェーハに渡る欠陥定量値の遷移図を示したり、またはウェーハの任意の領域に含まれるチップの複数ウェーハに渡る欠陥定量値の遷移図を示したり、または複数ウェーハに渡る前述のウェーハマップを同時に表示したりすることが考えられる。表示内容は後から再生可能なように、メモリ１１４あるいは二次記憶装置１１７に記憶してもよい。

ところで、半導体の開発初期などにおけるプロセスの条件出しの状態では、欠陥のない良品チップを取ることが困難なケースがある。図７はＮ箇所のチップにおける定点観察位置で画像を撮像した様子を模式的に表した図である。どの場所においても良品が存在せず、また欠陥も一意に発生せず、場所によって発生位置や、黒い欠陥７０、白い欠陥７１など発生する欠陥の見え方も変わる様子を表している。良品チップが存在しないため、一つのパターンについて一箇所から基準画像を得ることはできない。

このように１回の撮像で基準画像を得られない場合、複数の場所で撮像した画像を用いて基準画像を生成する。
図８に一つの回路パターン形状について複数の定点観察位置で画像を撮像し基準画像を作成する手順を示す。
まず、回路デザイン画像を入力する（Ｓ８００）。図９に一例として図７に示した定点観察画像に対応する回路デザイン画像を示す。回路デザイン画像は配線や下地などのレイヤが識別できる画像であり、回路デザイン画像上の画像座標とレイヤの対応を知ることができる。回路デザイン画像は回路デザインの設計データから生成しても良いし、定点観察画像を元にしたマニュアル入力による回路デザインを表す線画から生成しても良いし、１枚以上の定点観察画像を画像加算し、適当なしきい値により２値化した後に回路パターンのエッジを抽出するなどの画像処理により回路デザインを表す線画を生成しても良い。定点観察画像を元にマニュアル入力で回路デザインを表す線画を入力する方法としては、定点観察画像を図１のコンピュータ端末１１８のディスプレイに表示し、画像上の回路パターンのエッジ位置を画面上に表示されるポインタで指示することで線画を作成する方法がある。ポインタでの指示は、回路パターンのエッジ位置をポインタでなぞるだけではなく、回路パターンのエッジが直線であれば画像上の両端点を指示して入力するなどの効率的な方法も考えられる。

次に、最初のチップ（Ｎ＝１）の定点観察位置が図１の撮像対象領域１０９になるように、図１のステージ１１６の位置出しを行い、定点観察画像を撮像する（Ｓ８０１、Ｓ８０２）。ここで、最初のチップの場合、通常平均化画像がないので、後述するステップＳ８０４に進む。２番目以降のチップ（Ｎ≧２）で既生成の平均化画像があれば、定点観察画像との位置合わせを行った上で、平均化画像を更新する（Ｓ８０３）。ここで平均化画像とは、単純な場合には画素ごとに画素値を加算し平均したものである。この他に、撮像した複数の画像の各同一画素について、その画素値の中央値を求める方法、撮像した複数の画像の各同一画素について、画素値の標準偏差を求め例外値を除いて平均値を求める方法なども適宜用いて作成可能である。なお、同種又は同工程を経たウェーハにて利用可能な平均化画像が既に生成されている場合には、当該平均化画像を用いて最初のチップからステップＳ８０３に進んでもよい。

続いて、ステップＳ８０４にて回路デザイン画像に示される各レイヤで示される領域別に平均化画像の画素値の標準偏差値（ばらつき）を計算し、ステップＳ８０５にて各レイヤ単位で定められたしきい値と計算された標準偏差値を比較し、全てのレイヤにおいて標準偏差値がしきい値以内であれば終了し（Ｓ８０７）、そうでなければ次のチップの画像をさらに撮像し、ステップＳ８０２からステップＳ８０５を繰り返す。

上記の通り、図８では基準画像を生成するための定点観察画像は逐次撮像するフローを示したが、定点観察画像をまず全て又は複数撮像してから、基準画像生成のための画像を選択しても良い。その処理手順を図１と図１０を用いて説明する。
まず、定点観察位置のチップ座標と、定点観察を行うチップの指定を行う（Ｓ１００１）。これらの指定はユーザ端末１１８より行う。次に、ウェーハ１０８をＳＥＭ装置本体１０のステージ１１６上にロードし、ウェーハ上にあるアライメントマークを用いて、ウェーハ座標とステージ１１６の座標系を関連付ける（Ｓ１００２）。ステップＳ１０００とステップＳ１００１の順番は逆でも構わない。以降、Ｓ１００１で指定されたチップに対し、Ｓ１００３からＳ１００５を繰り返す。

まず、指定されたチップの定点観察位置が撮像対象領域１０９になるようステージ１１６の位置出しを行う（Ｓ１００３）。続いて定点観察画像５０を撮像し、メモリ１１４に記憶する（Ｓ１００４）。定点観察を行うチップがまだある場合はＳ１００３に戻る（Ｓ１００５）。次の定点観察を行うチップが無い場合は、ウェーハをＳＥＭ装置１０のステージ１１６からアンロードする（Ｓ１００６）。ステップＳ１００６はスキップし、ウェーハを装置内に保持したままで以降の処理を行っても構わない。

次に、ステップ１００７にて、撮像した複数の定点観察画像から基準画像を生成するための画像を一又は複数選択し、ステップＳ１００８にて基準画像を生成しメモリ１１４に記憶する。なお、定点観察画像の選択方法並びに選択された定点観察画像を用いた基準画像の生成方法については図１１、図１２を用いて後述する。基準画像生成後、メモリ１１４に記憶されている全ての定点観察画像と、メモリ１１４に記憶された基準画像を用いて、両画像の差分処理を画像処理ユニット１１５で実行する。差分処理の結果得られる欠陥領域画像はメモリ１１４に記憶される。次に、欠陥領域画像から得られる欠陥領域を用いて、欠陥領域に相当する定点観察画像上の領域の画像特徴を画像処理ユニット１１５で計算し、欠陥の定量化を行う（Ｓ１００９）。最後に、各定点観察位置で計算された欠陥定量値をユーザ端末１１８に出力して終了する（Ｓ１０１０）。出力の方法は前述の通りである。

図１１は定点観察画像を全て撮像してから、基準画像生成のための画像を撮像した定点観察画像から選択するための第１の画面構成を表す図であり、１１００は画面を示す。１１０１は撮像した定点観察画像を表示する領域である。撮像した全ての定点観察画像が一度に表示できない場合には、図示しない手段により１１０１内のみをスクロールしたり、画面を切り替え可能にするなどして、必要な全ての定点観察画像を閲覧可能とする。１１０１内に表示されている複数の定点観察画像の内、太線で囲まれた画像は平均化画像生成に使用することが指示された定点観察画像を示し、操作者による選択画像のクリックにより指示される。１１０２は定点観察画像に対応する回路デザイン画像であり、回路デザインデータから生成されても良いし、定点観察画像を元に操作者によりマニュアル入力されても良いし、定点観察画像をもとに画像処理により生成されても良い。１１０２は基準画像生成のために、定点観察画像をどのようなレイヤ領域に応じて処理するかを確認するために利用できる。１１０３は１１０１内で選択された１枚以上の定点観察画像より生成された平均化画像である。１１０４は各レイヤの平均化画像の標準偏差と各レイヤで定められたしきい値を表示する数値表示領域である。

図１１に示した画面を用いて基準画像を生成するフローを図１２に示す。まず、回路デザイン画像を入力し（Ｓ１２００）、メモリ１１４に記憶された複数の定点観察画像の中から定点観察画像を選択する（Ｓ１２０２）。続いて、既生成の平均化画像があれば、撮像画像との位置合わせを行った上で、平均化画像を更新する（Ｓ１２０３）。なお、既生成の平均化画像がない（Ｎ＝１）場合には、ステップＳ１２０３を経ることなく、ステップＳ１２０４に進む。ステップＳ１２０４では、回路デザイン画像に示される各レイヤで示される領域別に平均化画像の画素値の標準偏差値を計算し、ステップＳ１２０５にて平均化画像を図１１の１１０３に表示するとともに、各レイヤの平均化画像の標準偏差と各レイヤで定められたしきい値を図１１の１１０４に表示する（Ｓ１２０６）。操作者は１１０３に表示された平均化画像及び１１０４に表示された各レイヤの平均化画像の標準偏差と各レイヤで定められたしきい値を参考に生成された平均化画像を基準画像とするか否か検討し、処理を終了するか否かを判断する（Ｓ１２０７）。更に定点観察画像を追加選択する場合はステップＳ１２０２に戻り、ステップＳ１２０２からＳ１２０７までを繰り返す。なお、ステップＳ１２０２では定点観察画像の選択と同時に、選択されている定点観察画像を選択対象から外すことも可能とし、適切な基準画像を生成するための最適な定点観察画像の選択ができるようにする。ステップＳ１２０７において平均化画像あるいは、各レイヤの平均化画像の標準偏差と各レイヤで定められたしきい値の関係が適切であると操作者に判断された場合はステップＳ１２０９に進み、生成された平均化画像を基準画像とし、処理を終了する（Ｓ１２１０）。

次に、定点観察画像を全て撮像してから、基準画像生成のための画像を撮像した定点観察画像から選択するための第２の画面構成例について、図１３を用いて説明する。画面１３００に表示された１３０１は撮像した定点観察画像を表示する領域である。撮像した全ての定点観察画像が一度に表示できない場合には、図示しない手段により１３０１内のみをスクロールするなどして、全ての定点観察画像を閲覧可能とする。１３０１内に表示されている定点観察画像の内、太線で示された画像は平均化画像を生成するために使用することが指示された定点観察画像であり、操作者による選択画像のクリックにより指示される。１３０３は定点観察画像に対応する回路デザイン画像であり、回路デザインデータから生成されても良いし、定点観察画像を元に操作者によりマニュアル入力されても良いし、定点観察画像をもとに画像処理により生成されても良い。１３０３は平均化画像生成のために、定点観察画像をどのようなレイヤ領域に応じて処理するかを確認するために利用可能である。１３０４は１３０１内の複数の定点観察画像のうちで選択された１枚以上の定点観察画像より生成された平均化画像である。１３０２は１３０１に表示されている定点観察画像と平均化画像を用いて欠陥領域を抽出した結果を示す画像を表示する領域であり、１３０１と１３０２の同じ位置に表示される画像は対応している。１３０５で示すウェーハマップには図６のステップＳ６０９にて説明した情報が出力される。１３０６は各レイヤの平均化画像の標準偏差と各レイヤで定められたしきい値を表示する数値表示領域である。

図１３に示した画面を用いて基準画像を生成するフローを図１４に示す。まず回路デザイン画像を入力し（Ｓ１４００）、定点観察画像を選択する（Ｓ１４０２）。続いて、既生成の平均化画像があれば、撮像画像との位置合わせを行った上で、平均化画像を更新する（Ｓ１４０３）。なお、既生成の平均化画像がない（Ｎ＝１）場合には、ステップＳ１４０３を経ることなく、ステップＳ１４０４に進む。ステップＳ１４０４では、回路デザイン画像に示される各レイヤで示される領域別に平均化画像の画素値の標準偏差値を計算し、ステップＳ１４０５にて平均化画像を図１３の１３０４に表示するとともに、各レイヤの平均化画像の標準偏差と各レイヤで定められたしきい値を図１３の１３０６に表示する（Ｓ１４０６）。更に、平均化画像を用いて各定点観察画像から欠陥領域画像を生成し１３０２に表示する（Ｓ１４０７）。操作者は１３０４に表示された平均化画像、あるいは１３０６に表示された各レイヤの平均化画像の標準偏差と各レイヤで定められたしきい値の関係、あるいは１３０２に表示された欠陥領域画像を参考に生成された平均化画像を基準画像とするか否かを判断し（Ｓ１４０８）、更に定点観察画像を追加選択する場合はステップＳ１４０２に戻り、ステップＳ１４０２からＳ１４０８までを繰り返す。なお、ステップＳ１４０２では定点観察画像の選択と同時に、選択されている定点観察画像を選択対象から外すことも可能とし、適切な基準画像を生成するための最適な定点観察画像の選択ができるようにする。ステップＳ１４０８において平均化画像、あるいは、各レイヤの平均化画像の標準偏差と各レイヤで定められたしきい値の関係、あるいは、欠陥領域画像が適切であると操作者に判断された場合はステップＳ１４１０に進み、生成された平均化画像を基準画像とし、処理を終了する（Ｓ１４１１）。図１３に示した画面構成による基準画像生成方法によれば、生成した基準画像による欠陥領域画像を逐次確認できるので、定点観察画像中の欠陥と欠陥領域画像を比べることによりさらに直感的に処理を進めることができると同時に、基準画像が定まらないとウェーハマップを作成できないということがなく、ウェーハマップも逐次更新されていくので欠陥発生の状況の概略をいち早く知ることができる。

最後に図８のＳ８０５に示したしきい値に関して述べる。しきい値に関しては、各レイヤに予め一定の値を設定しておいてもよいし、撮像した画像から自動的に決める方法でも良い。撮像画像からしきい値を自動的に決める方法の一例を以下に述べる。まず画像を細分化する格子を設定する。格子は画像に対し一律にかけるのではなく、各レイヤ別に設定する、また、レイヤをまたぐ格子は生じないよう格子の寸法を調整する。ここで、定点観察画像は既に撮像したものがＮ枚あるとし、ある一つのレイヤに属する格子はＭ個あるものとし、ある一つのレイヤに着目し以下述べる。Ｍ個の格子について定点観察画像のＮ枚各々につき格子内の画素値の標準偏差値を計算する。これによりＮ×Ｍ個の標準偏差値を得る。ここで、着目しているレイヤの面積に対して正常部位が占める割合として考えられる最大値Ａ（％）を例えば図１のコンピュータ端末１１８から入力設定できるようにしておき、得られたＮ×Ｍ個の標準偏差値を昇順に並べ、最初から（（Ｎ×Ｍ）×Ａ／１００）個め（少数点以下切捨て）の標準偏差値を該等レイヤにおけるしきい値とする。これにより基準画像として判定するための標準偏差値に対するしきい値ＴＨを得ることができる。この方法によれば、各格子にＮ枚ある格子画像から、その標準偏差値が前記のＴＨ以下のものを選択することにより、各格子の平均化画像を生成することもできる。

以上述べた方法によれば半導体開発初期の良品チップの取れない状態においても、比較検査を実行するための基準画像を生成することが可能となる。これにより高感度な比較検査を実施することで欠陥の発生状況の把握が可能となり、プロセスの条件出しの迅速化を図ることが可能となる。

１０…ＳＥＭ装置本体、１００…電子ビーム、１０１…電子源、１０２…電子レンズ、１０３…電子レンズ、１０４…電子ビーム軸調整器、１０５…偏向器、１０６…偏向器、１０７…対物レンズ、１０８…ウェーハ、１０９…撮像対象領域、１１０…反射板、１１０’…一次電子ビーム通過穴、１１１…電子検出器、１１２…A/Dコンバータ、１１３…加算回路、１１４…メモリ、１１５…画像処理ユニット、１１６…ＸＹステージ、１１７…二次記憶装置、１１８…コンピュータ端末、１１９…全体制御系、１２０…電流量制御ユニット、１２１…偏向制御ユニット、１２２…電子レンズ制御ユニット、１２３…ステージ制御ユニット、１２４…シーケンス制御ユニット、１２５…データ変換部、１２６…データ入力部、１２７…画像信号処理系、３０…チップ、３１…観察位置、５０…定点観察画像、５１…基準画像、５２…欠陥領域画像、５３…欠陥領域、１１００…画面、１１０１…定点観察画像表示領域、１１０２…回路デザイン画像、１１０３…平均化画像、１１０４…数値表示領域、１３００…画面、１３０１…定点観察画像表示領域、１３０２…欠陥領域画像表示領域、１３０３…回路デザイン画像、１３０４…平均化画像、１３０５…ウェーハマップ、１３０６…数値表示領域

Claims (13)

1. 複数のチップが形成された半導体ウェーハの外観を検査する外観検査方法であって、
   前記複数のチップ各々に対して互いに同一となるように形成された対応するパターンの観察位置を撮像するステップと、
   前記撮像された撮像画像を用いて平均化画像を生成するステップと、
   前記平均化画像を前記撮像画像に対応する回路デザインを表す情報と比較し、所定の条件を満たすものを基準画像として選定するステップと、
   前記基準画像と前記撮像画像とを比較して検査するステップと、
   を有することを特徴とする外観検査方法。
2. 請求項１記載の外観検査方法であって、
   前記観察位置を撮像するステップでは、前記チップ毎に複数の観察位置を撮像することを特徴とする外観検査方法。
3. 請求項１又は２記載の外観検査方法であって、
   前記基準画像を選定するステップでは、前記回路デザインを表す情報として、回路デザインを画像にしたものを用いることを特徴とする外観検査方法。
4. 請求項１又は２記載の外観検査方法であって、
   前記基準画像を選定するステップでは、前記回路デザインを表す情報として、回路設計情報、前記撮像された画像を基に入力された回路パターンの線画、又は前記撮像された画像を処理して抽出された回路パターンのエッジから生成された回路パターンの線画、のいずれかを用いることを特徴とする外観検査方法。
5. 請求項１又は２記載の外観検査方法であって、
   さらに、前記撮像した複数の撮像画像を画面に表示するステップと、
   前記平均化画像の生成に用いる撮像画像を前記画面に表示された複数の撮像画像から選択するステップと、
   を有することを特徴とする外観検査方法。
6. 請求項５記載の外観検査方法であって、
   さらに、前記基準画像と前記撮像画像との比較により生成された欠陥領域画像を表示するステップと、
   を有することを特徴とする外観検査方法。
7. 請求項１記載の外観検査方法であって、
   前記基準画像を選定するステップでは、前記所定の条件として、前記平均化画像において各レイヤの各回路パターンの領域に属する画素の値のばらつきが前記各レイヤの前記各回路パターンに設けられたしきい値以下であるかを判定することを特徴とする外観検査方法。
8. 請求項７記載の外観検査方法であって、
   前記観察位置を撮像するステップでは、前記平均化画像を生成するステップの前に、必要な画像をすべて撮像し、
   さらに、前記基準画像を選定するステップでは、前記しきい値を定めるために前記各レイヤの面積に対して正常部位が占める割合を入力するステップ、
   を有することを特徴とする外観検査方法。
9. 請求項８記載の外観検査方法であって、
   さらに、前記撮像した複数の撮像画像を画面に表示するステップと、
   前記平均化画像の生成に用いる撮像画像を前記画面に表示された複数の撮像画像から選択するステップと、
   を有することを特徴とする外観検査方法。
10. 請求項９記載の外観検査方法であって、
    さらに、前記基準画像と前記撮像画像との比較より生成された欠陥領域画像を表示するステップと、
    を有することを特徴とする外観検査方法。
11. 半導体ウェーハ上に形成された複数のチップ各々に対して互いに同一となるように形成された対応するパターンの観察位置を撮像する手段と、
    前記撮像された撮像画像と基準画像を比較する手段と、
    前記撮像画像に対応する回路デザインを表す情報が入力される入力手段と、
    前記回路デザインを表す情報を前記撮像画像と比較するようにデータを変換するデータ変換手段とを有する外観検査装置であって、
    前記撮像された撮像画像を用いて平均化画像を生成する手段と、
    前記平均化画像と前記撮像画像に対応する回路デザインを表す情報とを比較し、所定の条件を満たすものを前記基準画像として選定する手段と、
    を有することを特徴とする外観検査装置。
12. 請求項１１記載の外観検査装置であって、
    さらに、前記撮像した複数の撮像画像を画面に表示する表示手段と、
    前記平均化画像の生成に用いる撮像画像を前記画面に表示された複数の撮像画像から選択する手段と、
    を有することを特徴とする外観検査装置。
13. 請求項１２記載の外観検査装置であって、
    前記表示手段は、さらに、前記基準画像と前記撮像画像との比較により生成された欠陥領域画像を表示することを特徴とする半導体ウェーハの外観検査装置。

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