JP2013221761A - 欠陥観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、欠陥レビュー装置のように２段階の倍率で欠陥検出する欠陥観察装置において、高倍率参照画像を推定する方法では、高倍率参照画像を生成できる条件は試料パターンに依存していた。本発明は、試料パターンに依存せず、低倍率の画像情報を利用して、高倍率の被検査画像から高倍率の参照画像を精度良く推定する欠陥観察装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の欠陥観察装置は、高倍率で取得された被検査画像を用いて高倍率における参照画像を生成する高倍率参照画像生成部とを備え、前記高倍率参照画像生成部は、検出された欠陥領域に対応するパターンである正常領域画像を低倍率で取得された被検査画像または前記参照画像の中から特定し、当該特定された正常領域画像を高倍率に拡大して拡大正常領域画像を生成し、拡大正常領域画像を高倍率で取得された被検査画像に合成することで、高倍率における参照画像を生成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体ウェーハ上の欠陥や異物を検出する装置に係り、特に、低倍率と高倍率の２段階の倍率で得られた画像を用いて欠陥や異物を検出する装置に関する。

半導体市場では、半導体デバイス等の高集積化や微細化が進み、これら試料の観察、測定、検査を行う荷電粒子線装置の性能改善が求められている。例えば、走査型電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）」と略称する。）により半導体ウェーハ上の欠陥や異物を高倍率で撮影し、画像分類技術により欠陥の種類を分類する機能が要求されている。精度良く欠陥の種類を分類するためには、被検査画像と被検査画像に対応するパターンを撮像した画像（以下、参照画像と称する）を差分処理により画像比較を行い、欠陥や異物の外形を精度良く抽出する必要がある。

特許文献１には、参照画像と検査画像の比較検査により欠陥の外形を抽出する処理方法が開示されている。本処理方法を高倍率の検査画像からの欠陥や異物の外形の抽出に適用するためには、高倍率の参照画像を撮像することが必要となる。

特許文献２には、参照画像を推定する方法が開示されている。推定方法は３つの方法が開示されている。第一の方法は、繰り返しパターンについて適用できる方法であり、繰り返しの周期を利用して被検査画像から参照画像を推定するものである。画像に含まれる繰り返しの周期パターン数によっては、低倍率だけでなく、高倍率の参照画像の推定にも利用できる。第二の方法は、高倍率の被検査画像に対応する領域を低倍率の参照画像から抽出し、当該領域全体を拡大処理（ディジタルズーム）するものである。低倍率と高倍率の比率が小さい場合に有効な方法である。第三の方法は、低倍率の参照画像と被検査画像の画像比較において算出されるマスクを利用するものである。このマスクを高倍率に拡大処理し、高倍率の被検査画像にオーバレイし、高倍率の被検査画像中の欠陥以外の領域を求める。そして、この欠陥以外の領域からマスク部分に対応した欠陥がない状態の画像を推定するものである。本推定においては、画像を矩形の領域に分割し、マスクを含む矩形領域を、マスクを含まない領域から正規化相関によって探索している。

このように、高倍率の参照画像は、特許文献１に開示されるように、欠陥座標に対応する座標から直接撮影により取得する方法や、特許文献２に開示されるように、低倍率の参照画像から画像処理による拡大処理で疑似的に作成する方法等が使用されている。

米国特許５,６５９,１７２号 特開２００６−２６９４８９号公報（ＵＳ７６５７０７８）

特許文献１の方法では、高倍率の参照画像を撮影するためのステップが必要となり、検査スループットの低下をもたらす。

また特許文献２の方法では、参照画像を撮像する時間はかからないが、高倍率参照画像を生成できる条件は試料パターンに依存する。すなわち、被検査画像の試料パターンによっては、高倍率被検査画像の中に欠陥領域に対応する正常パターンが含まれていない場合があり、このような場合には高倍率参照画像が生成できない。

そこで、本発明は、試料パターンに依存せず、低倍率の画像情報を利用して、高倍率の被検査画像から高倍率の参照画像を精度良く推定する欠陥観察装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の欠陥観察装置は、高倍率で取得された被検査画像を用いて高倍率における参照画像を生成する高倍率参照画像生成部とを備え、前記高倍率参照画像生成部は、検出された欠陥領域に対応するパターンである正常領域画像を低倍率で取得された被検査画像または前記参照画像の中から特定し、当該特定された正常領域画像を高倍率に拡大して拡大正常領域画像を生成し、拡大正常領域画像を高倍率で取得された被検査画像に合成することで、高倍率における参照画像を生成する。

本発明によれば、試料パターンに依存せず、低倍率の画像情報を利用して、高倍率の被検査画像から高倍率の参照画像を精度良く推定することが可能になる。

ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による欠陥観察装置の一構成例。 低倍率画像における欠陥検出方法の説明図。 高倍率画像における欠陥検出方法の説明図。 本実施例における高倍率参照画像推定フロー。 本実施例における高倍率参照画像推定処理の説明図。

本発明の欠陥観察装置は、光または荷電粒子線を用いて試料の画像を拡大して取得する撮像装置を備えたものであって、さらに取得した試料の画像から欠陥を検出する手段を有するものである。例えば欠陥レビュー装置が挙げられる。

なお、本明細書でいう欠陥とは、試料上に形成されたパターンの異常のほか、異物や、パターンの出来栄えの評価等も含む概念であり、２つ以上の画像の差に基づいて特定された異常な領域を指す。

以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１に、本発明を実施するための装置の一例として欠陥レビュー装置の概略構成図を示す。欠陥レビュー装置とは、ネットワークを通じて光学式またはＳＥＭ式の欠陥検査装置と接続されており、欠陥検査装置で検出された欠陥候補をより詳細に観察する装置である。また、欠陥レビュー装置自体が欠陥検査手段を備え、予め決められた領域の画像を撮像し、欠陥検査を行うこともできる。

１００は走査型電子顕微鏡であり、試料に電子線を照射することによって得られる信号に基づいて試料の画像を取得する装置である。以下で説明する被検査画像、参照画像は走査型電子顕微鏡１００で取得される。走査型電子顕微鏡１００の筐体１０１の内部にはウェーハ１０２を移動するための試料台１０３が設置されている。電子線源１１８から照射された電子線１０４は偏向器１０５でウェーハ１０２上を２次元的に走査する。電子線１０４のフォーカスは電子レンズ１０６により調整される。

ウェーハ上を電子線で走査することにより、ウェーハから二次電子１０７および反射電子１０８が発生する。これら発生した二次電子および反射電子等の二次粒子を検出器１０９、１１０で検出し、電気信号に変換され、さらにＡ／Ｄ変換器１１１によりディジタル信号に変換される。このディジタル信号と走査位置を対応付けることにより２次元の濃淡画像が得られる。

得られた画像は画像信号として画像処理部１１２に入力され、特徴量の算出等の処理が行われる。結果はコンピュータ１１４のディスプレイ等の表示装置１１６に表示される。必要に応じてハードディスク等の記憶装置１１３またはネットワークを介して他のコンピュータ１１７に送信されてもよい。全体の操作はコンピュータ１１４で行われ、全体の制御は制御用コンピュータ１１５で行われる。

画像処理部１１２およびコンピュータ１１４、１１５で実行される処理は、ハードウェア、ソフトウェアいずれの方式でも実現可能である。ハードウェアにより構成する場合には、処理を実行する複数の演算器を配線基板上、あるいは半導体チップないしはパッケージ内に集積することにより実現できる。ソフトウェアにより構成する場合には、画像処理部１１２に高速な汎用ＣＰＵを搭載して、所望の演算処理を実行するプログラムを実行することで実現できる。

また、画像処理部１１２、コンピュータ１１４、１１５、１１７、ハードディスク等の記憶装置１１３、等の表示装置はネットワークを通じてＳＥＭ１００と接続されていて、随時データを通信する構成であってもよい。

欠陥レビュー装置では、走査型電子顕微鏡等の画像取得部によって、第一の倍率（以下、低倍率という）で検査したい箇所である被検査画像を取得する。

その後、同じ低倍率で、被検査画像に対応するパターンをもつ領域の参照画像を取得する。なお、以下、参照画像とは被検査画像との比較対象に用いる画像のことを指す。１枚の被検査画像に対する参照画像は複数あってもよい。

次に、画像処理部１１２の一部である欠陥検出部により、低倍率で取得した被検査画像と参照画像とを比較し、この２つの画像の差分領域を欠陥候補として検出する。この処理については図２を用いて後述する。

次に、第一の倍率より高い第二の倍率（以下、高倍率という）で、欠陥候補が視野に入るように画像取得する。これによって、高倍率の被検査画像を得る。

次に、画像取得部によって、同じ高倍率で参照画像を取得または生成する。従来は高倍率で参照画像を撮影していたが、撮像に時間を要するため、検査スループットの低下を招いてしまう。したがって、何らかの方法により高倍率の参照画像を推定して生成する必要がある。

しかし、従来の高倍率参照画像を生成する方法では以下のような課題がある。画像処理による拡大処理で作成する場合には、画像の分解能低下等の問題がある。また、繰り返しパターンを利用して検査画像を参照画像として使用する場合は、セル部であるという制約があり、一般的でない。

さらに、低倍率の参照画像と被検査画像の画像比較において算出されるマスクを高倍率に拡大処理し、高倍率の被検査画像にオーバレイし、高倍率の被検査画像中の欠陥以外の領域を求め、この欠陥以外の領域からマスク部分に対応した欠陥がない状態の画像を推定する場合は、必ずしも高倍率の被検査画像の中に、マスクに対応した欠陥がない状態の画像が存在するとは限らない。特に、高倍率での画像は視野が狭いため、高倍率の被検査画像の中に欠陥領域に対応するパターンが存在する確率は小さい。さらに、特許文献２に記載されたように、高倍率被検査画像を複数の矩形領域で分割して欠陥領域を含む矩形領域と他の矩形領域をマッチングすることで高倍率被検査画像の中から欠陥領域に対応する正常パターンを抽出する方法では、分割サイズを小さくしないとマッチングする領域が見つからないが、分割サイズを小さくするほどマッチング処理に時間がかかる。さらに分割サイズを小さくしすぎると本来の正常パターンとは異なるパターン部分とマッチングしてしまう可能性もある。以下の実施例では、試料のパターンに依存せず、低倍率の被検査画像または参照画像と、高倍率の被検査画像を用いて、高倍率の参照画像を生成する方法を、図４、図５を用いて後述する。この高倍率の参照画像を生成する方法は画像処理部１１２の一部である高倍率参照画像生成部によって行われる。

最後に、高倍率の被検査画像と参照画像とを比較し、この２つの画像の差分領域を欠陥として検出する。高倍率で欠陥検出することで、その欠陥の外形や面積、試料のパターンとの位置関係などから欠陥の特徴量を求めることができる。

次に、図２、図３を用いて、得られた画像から欠陥を検出する処理について詳しく説明する。以下の処理は画像処理部１１２で行われることとして説明する。画像処理部１１２は画像を比較して差分を欠陥として検出する欠陥検出部や、以下で述べるように高倍率の参照画像を生成する高倍率参照画像生成部を有する。なお、画像処理部１１２に含まれる機能の全部または一部の処理は汎用のコンピュータで実行されてもよい。

図２は低倍率における参照画像と被検査画像から画像比較により欠陥、異物の外形を抽出する処理を示した図である。被検査画像２０１と参照画像２０２の比較処理を行う場合、通常、相互に位置ずれが生じているため、相関処理等により位置合わせ処理を行う。そして、差分処理を行うと、欠陥や異物の領域２０３のみが差分として得られる。その後、２値化や図形統合等の処理により、最終的な欠陥、異物の外形２０４が抽出される。

図３は高倍率における参照画像と被検査画像から画像比較により欠陥、異物の外形を抽出する処理を示した図である。被検査画像３０１と参照画像３０２の比較処理を行う場合、通常、相互に位置ずれが生じているため、相関処理等により位置合わせ処理を行う。そして、差分処理を行うと、欠陥や異物の領域３０３のみが差分として得られる。その後、２値化や図形統合等の処理により、最終的な欠陥、異物の外形３０４が抽出される。

図４と図５を用いて、高倍率の参照画像を生成する手段の実施例を述べる。

図４に、高倍率の参照画像を生成する処理のフローチャートを示す。また、図５に高倍率の参照画像を生成する処理方法を示す。

図４のステップ４０１では、低倍率の被検査画像５０１と低倍率の参照画像５０２に対して正規化相関処理等により位置合わせを行う。位置合わせを行った画像間で差分処理による画像比較を行い、欠陥領域５０３を抽出する。

ステップ４０２では、ステップ４０１で抽出した欠陥領域５０３の低倍率参照画像５０２上の位置を特定する。ステップ４０１で位置合わせを行っているため、抽出した欠陥領域５０３と低倍率参照画像５０２間の相対座標は算出可能である。

ステップ４０３では、ステップ４０２で求めた欠陥領域５０３の位置に基づいて低倍率参照画像５０２のマスク領域５０４を作成する。後の処理のため、モルフォロジ処理等によりマスク領域５０４を膨張処理しておくこともできる。ステップ４０１で説明した自動欠陥検出（ＡＤＲ）において現実には欠陥領域５０３が小さめに抽出されやすい。そのため一つの欠陥領域とみなしたい場合でも、複数の欠陥領域に分断されて出力されることがある。膨張処理によりマスク領域を広めに取っておくことで、ＡＤＲで抽出された欠陥領域のエッジの外側近傍を含めてマスク領域に設定できるので、このような場合であっても、一つの欠陥領域として扱うことができる。また、反射電子検出器からの画像を用いた場合など陰影像を用いる場合には、この膨張処理により影の部分まで含めて合成できる。なお、ここではマスク領域を拡大する前に膨張処理を行う構成としたが、代わりにこの膨張処理をステップ４０５とステップ４０６の間で行い、拡大正常領域を求めた後にその拡大正常領域を膨張する構成としてもよい。

ステップ４０４では、ステップ４０３で作成したマスク領域５０４を使用して、低倍率参照画像５０２のマスク処理を行う。これにより、低倍率参照画像５０２とマスク領域５０４の共通領域５０５のみが抽出できる。この共通領域５０５は、低倍率における欠陥領域５０３に対応するパターンである正常領域画像である。

ステップ４０５では、ステップ４０４で抽出した共通領域５０５を、高倍率検査画像５０７の倍率（視野）に対応して拡大処理して共通領域５０５の拡大正常領域画像５０６を得る。具体的には、（高倍率時の倍率値÷低倍率時の倍率値）で決まる倍率で、共通領域５０５をディジタルズームして拡大処理する。このとき、拡大処理による画像の分解能低下を低減するため、画像強調等の画質改善処理を行っても良い。さらに雑音を低減するための画質改善処理を行ってもよい。これにより、低倍率参照画像５０２から欠陥領域５０３に対応した領域のみの高倍率画像である拡大正常領域画像５０６が得られる。

ステップ４０６では、ステップ４０５で求めた拡大正常領域画像５０６と高倍率被検査画像５０７の画像合成処理を行う。本処理によりステップ４０５までの処理で求めた拡大正常領域画像５０６により高倍率被検査画像の欠陥領域がオーバレイされ、疑似的な高倍率参照画像５０８が得られる。このように生成された高倍率参照画像は、欠陥領域でない部分は高倍率で撮像された画像であるため分解能がよく、高倍率被検査画像と比較するときの位置合わせ精度が向上する。また、欠陥領域に対応する部分だけは低倍率で取得した画像によるものなので分解能が良くないが、通常、欠陥領域は画像に占める割合が小さいため位置合わせ処理には影響しない。

以上の実施例において、ステップ４０５で行っている共通領域５０５の拡大処理に代えて、共通領域５０５をテンプレートとして低倍率被検査画像または低倍率参照画像とのマッチング処理を行い、マッチした領域、すなわち一致度が最大となる領域を正常領域として、これを拡大し、拡大正常領域画像５０６とすることもできる。

また、以上の実施例では、１種類の画像（例えば二次電子画像）のみを高倍率参照画像生成処理の対象としたが、反射電子画像または、それら両方の合成画像を高倍率参照画像生成処理の対象とすることもできる。

本実施例の方法によれば、検査対象のパターンに依存せずに、高倍率の参照画像を求めることができる。これによって検査スループットの低下なしに精度良く欠陥や異物の外形を特定することが可能になる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００ 走査型電子顕微鏡
１０１ 筐体
１０２ ウェーハ
１０３ 試料台
１０４ 電子線
１０５ 偏向器
１０６ 電子レンズ
１０７ 二次電子
１０８ 反射電子
１０９ 二次電子検出用検出器
１１０ 反射電子検出用検出器
１１１ Ａ／Ｄ変換器
１１２ 画像処理部
１１３ 記憶装置
１１４ コンピュータ
１１５ 制御用コンピュータ
１１６ 表示装置
１１７ 他のコンピュータ
１１８ 電子線源

Claims (5)

1. 試料に荷電粒子線を照射することによって得られた画像を用いて欠陥を観察する欠陥観察装置において、
   第一の倍率で前記試料の被検査画像と前記被検査画像に対応する参照画像を取得し、前記第一の倍率より高い第二の倍率で前記被検査画像を取得する画像取得部と、
   前記第一の倍率で取得された前記被検査画像と前記参照画像とを用いて欠陥領域を検出する欠陥検出部と、
   前記第二の倍率で取得された前記被検査画像を用いて前記第二の倍率における参照画像を生成する高倍率参照画像生成部とを備え、
   前記高倍率参照画像生成部は、前記検出された欠陥領域に対応するパターンである正常領域画像を前記第一の倍率で取得された前記被検査画像または前記参照画像の中から特定し、当該特定された正常領域画像を前記第二の倍率に拡大して拡大正常領域画像を生成し、前記拡大正常領域画像を前記第二の倍率で取得された被検査画像に合成することで、前記第二の倍率における参照画像を生成することを特徴とする欠陥観察装置。
2. 請求項１に記載の欠陥観察装置において、
   前記高倍率参照画像生成部は、前記第一の倍率で取得された前記参照画像において前記検出された欠陥領域に対応する部分を前記正常領域画像とすることを特徴とする欠陥観察装置。
3. 請求項１に記載の欠陥観察装置において、
   前記高倍率参照画像生成部は、前記正常領域画像を拡張した後に前記第二の倍率に拡大することで前記拡大正常領域画像を生成することを特徴とする欠陥観察装置。
4. 請求項１に記載の欠陥観察装置において、
   前記高倍率参照画像生成部は、前記正常領域画像を前記第二の倍率に拡大した後で、前記拡大された領域を拡張して前記拡大正常領域画像とすることを特徴とする欠陥観察装置。
5. 請求項１に記載の欠陥観察装置において、
   前記高倍率参照画像生成部は、前記拡大正常領域画像に画質改善処理を行った後に、前記第二の倍率で取得された被検査画像に合成することを特徴とする欠陥観察装置。