JP2019134169A - 画像処理方法、画像処理装置、画像処理プログラム、及び画像処理プログラムを記憶した記憶媒体 - Google Patents

画像処理方法、画像処理装置、画像処理プログラム、及び画像処理プログラムを記憶した記憶媒体 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体デバイスの発光像や発熱像などの測定像とそのパターン画像との重畳画像を精度よく生成すること。【解決手段】 観察システム１Ａにおける画像処理方法は、半導体デバイスＳを対象に測定された測定画像Ｇ１と、測定画像Ｇ１に対応する半導体デバイスＳのパターンを示す第１パターン画像Ｇ２を取得する第１ステップと、半導体デバイスＳのパターンを示す第２パターン画像Ｇ３を取得する第２ステップと、第１パターン画像Ｇ２と第２パターン画像Ｇ３とに基づいて、第１パターン画像Ｇ２と第２パターン画像Ｇ３との相対関係を示すマッチング情報を取得する第３ステップと、マッチング情報を基に、第２パターン画像Ｇ３と測定画像Ｇ１とを重畳することによって重畳画像Ｇ４を取得する第４ステップと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、画像処理方法、画像処理装置、及び画像処理プログラムに関するものである。
従来から、半導体デバイス等の検査対象デバイス（ＤＵＴ：ｄｅｖｉｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｅｓｔ）の画像を取得して、その画像を基に故障箇所の分析等の各種分析が行われている。例えば、下記特許文献１には、半導体ウエハに形成された回路パターンの線幅を測定するための走査型電子顕微鏡を備えた測定装置が開示されている。この装置では、テンプレートを用いて観察画像における位置検出が行われる。
特開２００５−３１０８０５号公報
ここで、検査対象デバイスからの発光像や発熱像など測定像を解析する際には、その測定像と別個に取得された検査対象デバイスのパターン画像と重ね合わせた画像を生成したいというニーズが高まってきている。その場合には、パターン画像と測定像を含む信号画像との間の位置合わせの精度が重要である。しかし、検査対象デバイスの発光画像や発熱画像には、検査対象デバイスの回路パターンが含まれない場合が多く、例えば、発熱像画像を測定画像とする場合、測定画像の中心に発熱像が位置するようにステージを調整した状態でパターン画像を取得することによって、パターン画像の中心と信号画像の中心の位置合わせを行っていた。このような方法では、位置あわせの精度が悪く、信号画像とパターン画像を取得する際に手間がかかる。
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、半導体デバイスの発光像や発熱像などの測定像とそのパターン画像との重畳画像を精度よく生成することが可能な画像処理方法、画像処理装置、及び画像処理プログラムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一側面に係る画像処理方法は、半導体デバイスを対象に測定された測定画像と、測定画像に対応する半導体デバイスのパターンを示す第１のパターン画像を、第１の光検出器を用いて取得する第１ステップと、半導体デバイスのパターンを示す第２のパターン画像を、第１の光検出器と異なる第２の光検出器を用いて取得する第２ステップと、第１のパターン画像と第２のパターン画像とに基づいて、第１のパターン画像と第２のパターン画像との相対関係を示すマッチング情報を取得する第３ステップと、マッチング情報を基に、第２のパターン画像と測定画像とを重畳することによって重畳画像を取得する第４ステップと、を備え、第３ステップでは、第１のパターン画像から輪郭線である第１の形状情報を抽出し、第２のパターン画像から輪郭線である第２の形状情報を抽出し、第１の形状情報と第２の形状情報との間で互いに類似するパターンを検索することによりマッチング情報を取得する。
或いは、本発明の他の側面に係る画像処理装置は、半導体デバイスを対象に測定された測定画像であって第１の光検出器を用いて取得された画像と、測定画像に対応する半導体デバイスのパターンを示す第１のパターン画像であって第１の光検出器を用いて取得された画像と、半導体デバイスのパターンを示す第２のパターン画像であって第１の光検出器と異なる第２の光検出器を用いて取得された画像とを記憶する記憶部と、第１のパターン画像と第２のパターン画像とに基づいて、第１のパターン画像と第２のパターン画像との相対関係を示すマッチング情報を取得する画像解析部と、マッチング情報を基に、第２のパターン画像と測定画像とを重畳することによって重畳画像を取得する画像処理部と、を備え、画像解析部は、第１のパターン画像から輪郭線である第１の形状情報を抽出し、第２のパターン画像から輪郭線である第２の形状情報を抽出し、第１の形状情報と第２の形状情報との間で互いに類似するパターンを検索することによりマッチング情報を取得する。
或いは、本発明の他の側面に係る画像処理プログラムは、コンピュータを、半導体デバイスを対象に測定された測定画像に対応し、半導体デバイスのパターンを示す第１のパターン画像であって第１の光検出器を用いて取得された画像と、半導体デバイスのパターンを示す第２のパターン画像であって第１の光検出器と異なる第２の光検出器を用いて取得された画像とに基づいて、第１のパターン画像と第２のパターン画像との相対関係を示すマッチング情報を取得する画像解析部、及びマッチング情報を基に、第２のパターン画像と測定画像とを重畳することによって重畳画像を取得する画像処理部、として機能させ、画像解析部は、第１のパターン画像から輪郭線である第１の形状情報を抽出し、第２のパターン画像から輪郭線である第２の形状情報を抽出し、第１の形状情報と第２の形状情報との間で互いに類似するパターンを検索することによりマッチング情報を取得する。
このような画像処理方法、画像処理装置、画像処理プログラム、或いは画像処理プログラムを記憶した記録媒体によれば、半導体デバイスの測定画像に対応した第１のパターン画像と、半導体デバイスの第２のパターン画像との間のマッチング情報を基に、第２のパターン画像と測定画像との位置関係が精度よく得られ、その位置関係を基に第２のパターン画像と測定画像との重畳画像を取得することにより、精度のよい重畳画像を得ることができる。
本発明によれば、半導体デバイスの発光像や発熱像などの測定像とそのパターン画像との重畳画像を精度よく生成することが可能となる。
本発明の第１実施形態にかかる画像処理装置である観察システム１Ａの概略構成図である。 図１の記憶部２７に記憶された測定画像のイメージの一例を示す図である。 図１の記憶部２７に記憶された第１パターン画像のイメージの一例を示す図である。 図１の画像解析部２９により生成された測定画像のイメージの一例を示す図である。 図１の記憶部２７に記憶された第２パターン画像のイメージの一例を示す図である。 図１の画像解析部２９により第２パターン画像から抽出された第２の形状情報の一例を示す図である。 図１の画像解析部２９によるマッチング処理の対象となる第１パターン画像及び第２パターン画像の第２の形状情報の一例を示す図である。 図１の画像処理部３１により測定画像から抜き取られた、発熱像を含む抽出画像の一例を示す図である。 図１の画像処理部３１により抽出画像と第２パターン画像とを基に重畳された重畳画像の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態の第１の変形例にかかる観察システム１Ｂの概略構成図である。 本発明の第１実施形態の第２の変形例にかかる観察システム１Ｃの概略構成図である。 本発明の第１実施形態の第３の変形例にかかる観察システム１Ｄの概略構成図である。
以下、図面とともに本発明による画像処理方法、画像処理装置、及び画像処理プログラムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる画像処理装置である観察システム１Ａの概略構成図である。図１に示す観察システム１Ａは、半導体メモリやＬＳＩ等のＩＣ（集積回路）、パワーデバイス等の半導体デバイスの発熱像を観察するために画像を取得及び処理する光学システムである。この観察システム１Ａは、赤外カメラ３、２次元カメラ５、照明装置７、ダイクロイックミラー９、ハーフミラーなどのビームスプリッタ１１、対物レンズ１３、ステージ１５、コンピュータ（Personal Computer）１７、テスタ１９、入力装置２１、及び表示装置２３を含んで構成されている。
赤外カメラ３は、赤外波長に感度を持つＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）カメラ等の撮像装置であり、ステージ１５に載置される半導体デバイスＳの発熱像を撮像することにより測定画像を取得する。この赤外カメラ３は、ステージ１５に載置される半導体デバイスＳの発熱像を、対物レンズ１３及びダイクロイックミラー９を介して検出する。
２次元カメラ５は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサ等を内蔵するカメラであり、ステージ１５に載置される半導体デバイスＳのパターンを示すパターン像等の２次元像を撮像する。この２次元カメラ５は、対物レンズ１３及びダイクロイックミラー９及びビームスプリッタ１１を介して半導体デバイスの２次元像を検出する。
対物レンズ１３は、半導体デバイスＳに対向して設けられ、赤外カメラ３及び２次元カメラ５に結像する像の倍率を設定する。この対物レンズ１３には、対物レンズ切替手段２５と複数の倍率の異なるレンズとが含まれ、赤外カメラ３或いは２次元カメラ５に像を結ぶ対物レンズ１３を、高倍率レンズと低倍率レンズとの間で切り替える機能を有する。
ダイクロイックミラー９は、半導体デバイスＳの発熱像を赤外カメラ３に導光するために赤外波長の光を透過し、半導体デバイスＳのパターン像を２次元カメラ５に導光するために赤外波長以外の波長の光を反射させる。ビームスプリッタ１１は、ダイクロイックミラー９によって反射されたパターン像を２次元カメラ５に向けて透過させるとともに、照明装置７から出射されたパターン像生成用の照明光をダイクロイックミラー９に向けて反射させることにより、その照明光をダイクロイックミラー９及び対物レンズ１３を経由して半導体デバイスＳに照射する。
テスタ１９は、半導体デバイスＳに所定の電気信号のテストパターン、所定の電圧、又は所定の電流を印加する。このテストパターンの印加によって、半導体デバイスＳの故障に起因する発熱像が発生する。
コンピュータ１７は、赤外カメラ３及び２次元カメラ５で取得された画像を処理する画像処理装置である。詳細には、コンピュータ１７は、機能的構成要素として、記憶部２７、画像解析部２９、画像処理部３１、及び制御部３３により構成されている。また、コンピュータ１７には、コンピュータ１７に対してデータを入力するためのマウス、キーボード等の入力装置２１、コンピュータ１７による画像処理結果を表示するためのディスプレイ装置等の表示装置２３が付属している。
図１に示すコンピュータ１７の各機能部は、コンピュータ１７のＣＰＵ等の演算処理装置がコンピュータ１７の内蔵メモリやハードディスクドライブなどの記憶媒体に格納されたコンピュータプログラム（画像処理プログラム）を実行することによって実現される機能である。コンピュータ１７の演算処理装置は、このコンピュータプログラムを実行することによってコンピュータ１７を図１の各機能部として機能させ、後述する画像処理方法に対応する処理を順次実行する。このコンピュータプログラムの実行に必要な各種データ、及び、このコンピュータプログラムの実行によって生成された各種データは、全て、コンピュータ１７のＲＯＭやＲＡＭ等の内蔵メモリやハードディスクドライブなどの記憶媒体に格納される。
ここで、コンピュータ１７の各機能部の機能について説明する。記憶部２７は、赤外カメラ３によって取得された発熱像が検出された測定画像、赤外カメラ３によって取得された半導体デバイスＳのパターン像が検出された第１パターン画像、及び２次元カメラ５によって取得された半導体デバイスのパターン像が検出された第２パターン画像を、順次記憶する。画像解析部２９及び画像処理部３１は、記憶部２７に記憶された画像を対象に各種の画像データ処理を実行する。詳細には、画像解析部２９は、記憶部２７に記憶された第１パターン画像と第２パターン画像との位置、サイズ、及び角度に関する相対関係を示すマッチング情報を取得する。また、画像処理部３１は、画像解析部２９によって取得されたマッチング情報を参照しながら、第２パターン画像と測定画像中の発熱像とを重畳処理することにより重畳画像を取得する。制御部３３は、コンピュータ１７におけるデータ処理、及びコンピュータ１７に接続されたデバイスの処理を制御する。例えば、制御部３３は、照明装置７による照明光の出射、赤外カメラ３及び２次元カメラ５による撮像、対物レンズ１３の倍率の切り替え、テスタ１９によるテストパターンの印加、表示装置２３による観察結果（重畳画像等）の表示を制御する。
以下、観察システム１Ａによる重畳画像の生成手順を説明するとともに、本実施形態に係る画像処理方法について詳述する。
まず、コンピュータ１７により、入力装置２１を利用して観察システム１Ａの操作者から半導体デバイスの観察処理の開始指示が受け付けられると、制御部３３の制御により、対物レンズ１３が予め設定された倍率（例えば、低倍率）に切り替えられた後に、テスタ１９によるテストパターンの印加が開始される。この状態で、制御部３３の制御により、赤外カメラ３によって半導体デバイスの発熱像を含む測定画像が取得されて記憶部２７に記憶される（ステップＡ１−１：発熱像取得ステップ）。この測定画像は、所定の露光時間で連続的に撮像された複数枚の画像データが加算されることにより生成される。図２には、記憶部２７に記憶された測定画像のイメージの一例を示している。この測定画像Ｇ１には、半導体デバイスＳ全体からの熱が撮像されることによるパターン像Ｇ１１と、テストパターンの印加に伴って故障箇所等の観察対象箇所から発せられる発熱像Ｇ１２が含まれる。この半導体デバイス全体からの熱は、半導体デバイスを形成する素子の形状の情報を持っているため、パターン像Ｇ１１は、半導体デバイスＳのパターンを表す画像となる。
次に、制御部３３の制御により、対物レンズ１３の倍率が維持されたままで、テスタ１９によるテストパターンの印加が停止される。この状態で、制御部３３の制御により、赤外カメラ３によって半導体デバイスのパターン像のみを含む第１パターン画像が取得されて記憶部２７に記憶される（ステップＡ１−２：パターン像取得ステップ）。この第１パターン画像は、ステップＡ１−１と同様に、所定の露光時間で連続的に撮像された複数枚の画像データが加算されることにより生成される。図３には、記憶部２７に記憶された第１パターン画像のイメージの一例を示している。この第１パターン画像Ｇ２には、半導体デバイスＳ全体からの熱が撮像されることによるパターン像Ｇ１１のみが含まれ、パターン像Ｇ１１は、半導体デバイスＳのパターンを表す画像となる。すなわち、第１パターン画像Ｇ２は、測定画像Ｇ１に含まれるパターン像に一致する（対応する）パターン像を表すものとなる。
その後、コンピュータ１７の画像解析部２９は、記憶部２７から測定画像Ｇ１及び第１パターン画像Ｇ２を読み出し、測定画像Ｇ１から第１パターン画像Ｇ２を差分処理することにより、発熱像のみを含む測定画像Ｇ１を加工および生成する（ステップＡ１−３：発熱像差分ステップ）。図４には、画像解析部２９により生成された測定画像Ｇ１のイメージの一例を示している。このように、測定画像Ｇ１からパターン像が除かれて発熱像Ｇ１２のみが現れている。
さらに、制御部３３の制御により、対物レンズ１３が予め設定された別の倍率（例えば、高倍率）に切り替えられた後に、照明装置７からの照明光の出射が開始される。この状態で、制御部３３の制御により、２次元カメラ５によって半導体デバイスのパターン像を含む第２パターン画像が取得されて記憶部２７に記憶される（ステップＡ２：発熱像取得ステップ）。図５には、記憶部２７に記憶された第２パターン画像のイメージの一例を示している。この第２パターン画像Ｇ３には、半導体デバイスＳ全体からの反射光が撮像されることによるパターン像Ｇ３１が含まれる。この半導体デバイス全体からの反射像は、半導体デバイスを形成する表面形状を示しているため、パターン像Ｇ３１は、半導体デバイスＳの表面パターンを表す画像となる。
その後、画像解析部２９により、記憶部２７に記憶された第１パターン画像Ｇ２と第２パターン画像Ｇ３とに基づいて、マッチング情報が取得される（ステップＡ３：マッチング情報取得ステップ）。
このステップＡ３では、まず、第１パターン画像Ｇ２の半導体デバイスＳ上の範囲の大きさである視野サイズと、第２パターン画像Ｇ３の半導体デバイスＳ上の範囲の大きさである視野サイズとの比率に基づいて、第１パターン画像Ｇ２或いは第２パターン画像Ｇ３の少なくともいずれか一方の画像サイズを調整する（ステップＡ３−１：パターン画像調整ステップ）。より具体的には、画像解析部２９は、第１パターン画像Ｇ２を取得した際の対物レンズ１３の倍率と第２パターン画像Ｇ３を取得した際の対物レンズ１３の倍率とを取得し、それぞれの逆数を第１パターン画像Ｇ２及び第２パターン画像Ｇ３の視野サイズを示す数値とする。そして、画像解析部２９は、それらの数値をもとに第２パターン画像Ｇ３のサイズを第１パターン画像Ｇ２上の画像サイズに合うように調整する。例えば、第１パターン画像Ｇ２を取得した際の倍率が１５倍、第２パターン画像Ｇ３を取得した際の倍率が１００倍の場合には、それぞれの視野サイズを１／１５、１／１００とし、第２パターン画像Ｇ３の画像サイズを１５／１００倍に調整する。ここで、画像解析部２９は、第１パターン画像Ｇ２と第２パターン画像Ｇ３の画像サイズを調整する際には、第１パターン画像Ｇ２の画像サイズを調整してもよいし、双方を同一倍率の別の画像サイズに調整してもよい。
次に、画像解析部２９は、第１パターン画像Ｇ２と画像サイズの調整された第２パターン画像Ｇ３とを対象に、形状ベースマッチングを行う（ステップＡ３−２：形状ベースマッチングステップ）。この形状ベースマッチングによりマッチング処理を行うことで、異なるカメラで取得されたコントラストの異なるパターン画像Ｇ２，Ｇ３を対象にした場合でも精度よくマッチングできる。詳細には、画像解析部２９は、第１パターン画像Ｇ２及び第２パターン画像Ｇ３から、それぞれの輪郭線（エッジライン）を第１及び第２の形状情報として抽出する。そして、画像解析部２９は、第１の形状情報と第２の形状情報との間で互いに類似する類似パターンを検索する。図６には、画像解析部２９により第２パターン画像Ｇ３から抽出された第２の形状情報の一例を示している。このように、第２パターン画像Ｇ３に含まれるパターン像Ｇ３１の輪郭線が、第２の形状情報Ｐ３として抽出される。ここで、画像解析部２９は、形状ベースマッチングを行う際には、第１パターン画像Ｇ２及び第２パターン画像Ｇ３の両方或いは片方の解像度を複数階層に変化させてピラミッドレベルによるマッチングを行う。すなわち、第１パターン画像Ｇ２及び第２パターン画像Ｇ３の両方或いは片方の低解像度画像を複数の解像度で取得し、第１パターン画像Ｇ２及び第２パターン画像Ｇ３をマッチングさせる際に、低解像度の高階層画像から高解像度の低階層画像に順次他方の画像との形状マッチング処理を進める。これにより、高速なマッチング処理を実現する。なお、画像解析部２９は、第１パターン画像Ｇ２及び第２パターン画像Ｇ３のコントラストや元の画像の解像度に応じて、ピラミッドの階層数を設定してもよい。
その後、画像解析部２９は、形状ベースマッチングの結果から、第１パターン画像Ｇ２と第２パターン画像Ｇ３との相対関係を示すマッチング情報を取得する（ステップＡ３−３：情報取得ステップ）。このようなマッチング情報としては、第２パターン画像Ｇ３に対する第１パターン画像Ｇ２の位置を示す位置情報、第２パターン画像Ｇ３に対する第１パターン画像Ｇ２の画像面上の回転角度を示す角度情報、及び第２パターン画像Ｇ３に対する第１パターン画像Ｇ２の倍率が含まれる。図７には、画像解析部２９によるマッチング処理の対象となる第１パターン画像Ｇ２及び第２パターン画像Ｇ３の第２の形状情報Ｐ３の一例を示している。同図に示すように、第２の形状情報Ｐ３に対する第１パターン画像Ｇ２のマッチング結果から、マッチング情報が取得される。
ステップＡ３の処理後に、画像処理部３１により、画像解析部２９により取得されたマッチング情報を基に、第２パターン画像Ｇ３と測定画像Ｇ１とが重畳されることにより重畳画像が取得され、表示装置２３にその重畳画像が表示される（ステップＡ４：重畳画像取得ステップ）。詳細には、画像処理部３１は、マッチング情報を基に、第１パターン画像Ｇ２の画像中の第２パターン画像Ｇ３に対応する範囲を特定し、測定画像Ｇ１からその範囲に対応する抽出画像Ｇ１３を抜き取る。図８には、画像処理部３１により測定画像Ｇ１から抜き取られた、発熱像Ｇ１２を含む抽出画像Ｇ１３の一例を示している。そして、画像処理部３１により、抽出画像Ｇ１３と第２パターン画像Ｇ３とが重畳され重畳画像Ｇ４が生成される。この際、測定画像Ｇ１から抜き取られた抽出画像Ｇ１３は、画像処理部３１により、第２パターン画像Ｇ３と解像度が一致するように画素の補間処理が施される。図９には、画像処理部３１により抽出画像Ｇ１３と第２パターン画像Ｇ３とを基に重畳された重畳画像Ｇ４の一例を示している。
以上説明した観察システム１Ａ及びそれを用いた画像処理方法によれば、半導体デバイスＳの測定画像Ｇ１に対応した第１パターン画像Ｇ２と、半導体デバイスＳの第２パターン画像Ｇ３との間のマッチング情報を基に、第２パターン画像Ｇ３と測定画像Ｇ１との位置関係が精度よく得られ、その位置関係を基に第２パターン画像Ｇ３と測定画像Ｇ１との重畳画像Ｇ４を取得することにより、精度のよい重畳画像を得ることができる。その結果、半導体デバイスＳ上の故障個所等の観察対象箇所の位置の特定を容易にすることができる。
また、第１及び第２パターン画像Ｇ２，Ｇ３からそれぞれ形状情報が抽出され、それらの形状情報を基にマッチング情報が取得される。これにより、第１及び第２パターン画像Ｇ２，Ｇ３のコントラストが異なる場合であってもマッチング情報を容易に得ることができる。
また、第１及び第２パターン画像Ｇ２，Ｇ３の視野サイズの比に基づいて、第１及び第２パターン画像Ｇ２，Ｇ３の少なくともいずれか一方の画像サイズが調整される。この場合、測定画像Ｇ１と第２パターン画像Ｇ３の視野サイズが異なっていても、互いの画像の半導体デバイスＳ上の位置が一致した重畳画像Ｇ４を作成することができる。
さらに、第１及び第２パターン画像Ｇ２，Ｇ３の相対関係を示す位置情報、回転情報、及び倍率情報がマッチング情報として利用される。これにより、測定画像Ｇ１と第２パターン画像Ｇ２との位置関係を簡易に得ることができ、これを基に重畳画像Ｇ４を簡易に取得できる。
［第１実施形態の第１の変形例］
次に、本発明の第１実施形態の第１の変形例について、第１実施形態との相違点のみ説明する。図１０は、本発明の第１実施形態の第１の変形例にかかる観察システム１Ｂの概略構成図である。
観察システム１Ｂでは、測定画像Ｇ１が半導体デバイスＳの発光画像として取得される。詳細には、観察システム１Ｂには、観察システム１Ａに比較して、赤外カメラ３が取り除かれ、ダイクロイックミラー９の代わりにミラー９Ｂが設けられている。そして、照明装置７による照明光の出射を行わない状態で、テスタ１９によりテストパターンが印加され、２次元カメラ５の感度が高ゲインに設定された状態で、２次元カメラ５により半導体デバイスＳの発光画像が測定画像Ｇ１として取得される。その後、照明装置７による照明光の出射を行い、テスタ１９によるテストパターンの印加が停止され、２次元カメラ５の感度が低ゲインに設定された状態で、２次元カメラ５により半導体デバイスＳの反射画像が第１パターン画像Ｇ２として取得される。この場合、測定画像Ｇ１には半導体デバイスＳのパターン像は現れないため、測定画像Ｇ１からの第１パターン画像Ｇ２の差分処理は必ずしも必要とされない。また、第１パターン画像Ｇ２の取得時にはテストパターンは印加されたままであってもよい。また、測定画像Ｇ１の取得時にはビームスプリッタ１１を取り外してミラー９Ｂで反射された発光像を直接２次元カメラ５で撮像し、第１パターン画像Ｇ２の取得時にはビームスプリッタ１１を取り付けてミラー９Ｂで反射された反射像をビームスプリッタ１１を透過させて２次元カメラ５で撮像してもよい。この場合、ビームスプリッタ１１の代わりにミラーを用いてもよい。２次元カメラ５としては、近赤外波長に感度を有するＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサを内蔵したカメラのほか、ＩｎＧａＡｓカメラ、又はＭＣＴ（Mercury Cadmium Tellu）カメラであってもよい。
［第１実施形態の第２の変形例］
次に、本発明の第１実施形態の第２の変形例について、第１実施形態との相違点のみ説明する。図１１は、本発明の第１実施形態の第２の変形例にかかる観察システム１Ｃの概略構成図である。なお、同図には、測定画像及び第１パターン画像の取得に関する構成のみを示し、第２パターン画像の取得に関する構成は第１実施形態と同様であるので図示を省略している。
観察システム１Ｃでは、測定画像Ｇ１が半導体デバイスＳの電気信号画像として取得される。詳細には、観察システム１Ｃには、観察システム１Ａに比較して、赤外カメラ３が取り除かれ、照明装置７の代わりにレーザ光を照射するレーザ光源７Ｃが設けられ、２次元カメラ５の代わりに半導体デバイスＳで反射したレーザ光を検出するフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等の光検出器３Ｃが設けられ、ダイクロイックミラー９の代わりにレーザ光を半導体デバイスＳに対して２次元的に走査するレーザ走査手段９Ｃが設けられている。さらに、観察システム１Ｃには、半導体デバイスＳに一定の電圧又は一定の電流の電気信号を印加する電源３５と、半導体デバイスＳに電気的に接続された電気信号検出手段１９Ｃとが設けられている。
このような観察システム１Ｃにおいて、レーザ光源７Ｃから出射されるレーザ光をレーザ走査手段９Ｃにより半導体デバイスＳ上に２次元的に走査しながら、半導体デバイスＳで生じる電気信号が電気信号検出手段１９Ｃにより検出される。そして、コンピュータ１７の記憶部２７に、レーザ光の半導体デバイスＳ上の走査位置と検出された電気信号の特性値とが関連付けて画像化された電気信号画像が、測定画像Ｇ１として記憶される。このような電気信号画像としては、光起電流画像であるＯＢＩＣ（Optical Beam Induced Current）画像、電気量変化画像であるＯＢＩＲＣＨ（Optical Beam Induced Resistance Change）画像、正誤情報画像であるＳＤＬ（Soft DefectLocalization）画像などが挙げられる。
ＯＢＩＣ画像は、レーザ光によって生じた光起電流を電気信号の特性値（電流値又は電流変化値）として検出し、これらの特性値をレーザ照射位置情報と対応付けて画像化して取得されたものである。また、ＯＢＩＲＣＨ画像は、半導体デバイスＳに一定の電流を印加した状態でレーザ光を走査することにより、半導体デバイスＳのレーザ光の照射位置の抵抗値の変化による電気信号の特性値（電圧値又は電圧の変化値）を画像化したものである。すなわち、ＯＢＩＲＣＨ画像は、電圧変化値とレーザ照射位置情報とを対応付けて画像化したものである。なお、ＯＢＩＲＣＨ画像は、半導体デバイスＳに一定の電圧を印加した状態でレーザ光を走査することにより、半導体デバイスＳのレーザ光の照射位置の抵抗値の変化による電気信号の電流変化値を画像化したものであってもよい。また、ＳＤＬ画像は、ＤＡＬＳ（Dynamic Analysis by Laser Stimulation）画像又はＬＡＤＡ（Laser Assisted DeviceAlteration）画像とも呼ばれ、半導体デバイスＳにテストパターンを印加した状態でレーザ光を走査して誤動作状態を検出することにより、半導体デバイス上のレーザ照射位置に対して誤作動情報を多値化した正誤情報として画像化して取得されるものである。
このように、測定画像Ｇ１を電気信号画像として取得する観察システム１Ｃにおいては、半導体デバイスＳ上をレーザ光で２次元走査しながら電気信号画像が取得されると同時に、光検出器３Ｃによってレーザ光の反射光を検出することにより、第１パターン画像Ｇ２が取得される。詳細には、レーザ光を半導体デバイスＳ上に走査させながら半導体デバイスＳの反射光の強度が検出され、コンピュータ１７の記憶部２７には、反射光強度がレーザ照射位置情報に関連付けられて画像化された第１パターン画像Ｇ２が記憶される。
［第１実施形態の第３の変形例］
次に、本発明の第１実施形態の第３の変形例について、第１実施形態との相違点のみ説明する。図１２は、本発明の第１実施形態の第３の変形例にかかる観察システム１Ｄの概略構成図である。なお、同図には、測定画像及び第１パターン画像の取得に関する構成のみを示し、第２パターン画像の取得に関する構成は第１実施形態と同様であるので図示を省略している。
観察システム１Ｄでは、測定画像Ｇ１が半導体デバイスＳの電気光学周波数マッピング画像として取得される。詳細には、観察システム１Ｄには、観察システム１Ａに比較して、赤外カメラ３が取り除かれ、照明装置７の代わりにレーザ光を照射するレーザ光源７Ｃが設けられ、２次元カメラ５の代わりに半導体デバイスＳで反射したレーザ光を検出するフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等の光検出器３Ｃが設けられ、ダイクロイックミラー９の代わりにレーザ光を半導体デバイスＳに対して２次元的に走査するレーザ走査手段９Ｃが設けられている。
このような観察システム１Ｄにおいて、テスタ１９により半導体デバイスＳにテストパターンを繰り返し印加し、レーザ光源７Ｃから出射されるレーザ光をレーザ走査手段９Ｃにより半導体デバイスＳ上に２次元的に走査しながら、半導体デバイスＳで生じる反射光が光検出器３Ｃにより検出される。そして、光検出器３Ｃの検出信号のＡＣ成分が抽出された後に、スペクトラムアナライザやロックイン検出器などの周波数解析装置４に入力される。周波数解析装置４は、検出信号に対して特定の周波数における周波数解析を行い、解析データをコンピュータ１７に出力する。コンピュータ１７では、レーザ光の半導体デバイスＳ上の走査位置と解析データとが関連付けられ、特定の周波数で動作している部位の信号強度を画像化した電気光学周波数マッピング画像（ＥＯＦＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍａｐｐｉｎｇ）画像）が、測定画像Ｇ１として記憶部２７に記憶される。なお、電気光学周波数マッピング画像は、振幅画像や位相画像、Ｉ／Ｑ画像などである。振幅画像の場合、解析データは、特定の周波数での検出信号の振幅となり、位相画像の場合、解析データは、特定の周波数の信号と検出信号との位相（位相差）となる。また、Ｉ／Ｑ（In-phase／Quadrature）画像の場合、解析データは、振幅及び位相の変化を示すＩ／Ｑ値（In-phase／Quadrature値）となる。さらに、光検出器３Ｃの検出信号のＤＣ成分が抽出され、記憶部２７に、レーザ光の半導体デバイスＳ上の走査位置と検出信号のＤＣ成分とが関連付けて画像化された第１パターン画像Ｇ２が記憶される。このような観察システム１Ｄによれば、半導体デバイスＳへのレーザ光の照射時にトランジスタなどの素子の動作に伴って発生する反射光の変調光が、２次元的な画像情報として観察される。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、第２パターン画像Ｇ３としては、１２００ｎｍ以上の波長のフェムト秒レーザ等の短パルスレーザを半導体デバイスＳに照射することにより、２光子吸収などの多光子吸収を生じさせ、この多光子吸収を利用した光起電流画像（ＭＯＢＩＣ画像）を用いてもよい。また、第２パターン画像Ｇ３としては、半導体デバイスＳのＣＡＤレイアウトデータを用い、ＣＡＤレイアウトデータに測定画像を重畳してもよい。さらには、第２パターン画像Ｇ３としては、Ｘ線等の透過像を撮像した透過画像であってもよい。
また、観察システム１Ｃ，１Ｄで用いられるレーザ光源７Ｃとしては、レーザ光源のほかにもＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源などのコヒーレンス性の高い光（コヒーレントな光）を出力する光源を採用してもよいし、ＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）光源やＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源やランプ光源などのコヒーレンス性の低い光（インコヒーレントな光）を出力する光源を採用してもよい。また、レーザ光源７Ｃは、半導体デバイスＳにおいて、多光子吸収を起こさせる波長（例えば、１２００ｎｍ以上の波長）であり、パルス幅の短い（例えば、サブピコ秒やフェムト秒といったパルス幅）光を出力する光源であってもよい。
なお、半導体デバイスＳの測定画像Ｇ１と、測定画像Ｇ１に対応する半導体デバイスの第１パターン画像Ｇ２を取得する装置と半導体デバイスＳのパターンを示す第２パターン画像Ｇ３を取得する装置は、一体であってもよいし別々の装置であってよく、また、測定画像Ｇ１および第１パターン画像Ｇ２の取得、第２パターン画像Ｇ３の取得は一連の処理の流れで行わなくてもよい。本実施形態は、測定画像Ｇ１、半導体デバイスＳのパターン像が検出された第１パターン画像Ｇ２、及び半導体デバイスＳのパターン像が検出された第２パターン画像Ｇ３をコンピュータ１７の記憶部２７に記憶すれば、画像解析部２９及び画像処理部３１により、記憶部２７に記憶された画像を対象に各種の画像データ処理を実行するため、装置や測定環境、測定の流れといった制限を受けにくい。
また、本実施形態では、第２測定画像と第２測定画像に対応する第３のパターン画像とをさらに取得し、第２パターン画像Ｇ３と第３パターン画像に基づくマッチング情報に基づいて、第２パターン画像Ｇ３に測定画像Ｇ１および第２測定画像を重畳してもよい。このように、第２パターン画像Ｇ３に複数の測定画像を重畳することにより、複数の測定画像に基づく半導体デバイスＳの解析が行いやすくなる。
ここで、上記の画像処理方法、画像処理装置、或いは画像処理プログラムにおいては、マッチング情報を取得するステップでは、第１のパターン画像から第１の形状情報を抽出し、第２のパターン画像から第２の形状情報を抽出し、第１の形状情報及び第２の形状情報を基にマッチング情報を取得する、ことでもよい。こうすれば、第１のパターン画像と第２のパターン画像のコントラストが異なる場合であってもマッチング情報を容易に得ることができる。
また、マッチング情報を取得するステップでは、第１のパターン画像の半導体デバイス上の範囲を示す第１の視野サイズと、第２のパターン画像の半導体デバイス上の範囲を示す第２の視野サイズとの比に基づいて、第１のパターン画像及び第２のパターン画像の少なくともいずれか一方の画像サイズを調整する、ことでもよい。この場合、測定画像と第２のパターン画像の視野サイズが異なっていても、互いの画像の半導体デバイス上の位置が一致した重畳画像を作成することができる。
さらに、マッチング情報は、第１のパターン画像と第２のパターン画像との相対関係を示す位置情報、回転情報、及び倍率情報の少なくとも１つであってもよい。かかるマッチング情報を利用すれば、測定画像と第２のパターン画像との位置関係を簡易に得ることができ、これを基に重畳画像を簡易に取得できる。
またさらに、測定画像は、半導体デバイスの発熱画像、発光画像、電気量変化画像、光起電流画像、正誤情報画像、位相画像、振幅画像及びＩ／Ｑ画像のうちの少なくとも１つであってもよい。さらにまた、第２のパターン画像は、半導体デバイスの反射画像、透過画像、ＭＯＢＩＣ画像、及びＣＡＤレイアウト画像のうちのいずれかであってもよい。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…観察システム、３…赤外カメラ、３Ｃ…光検出器、５…２次元カメラ、７…照明装置、７Ｃ…レーザ光源、９…ダイクロイックミラー、９Ｂ…ミラー、９Ｃ…レーザ走査手段、１１…ビームスプリッタ、１３…対物レンズ、１５…ステージ、１７…コンピュータ、１９…テスタ、１９Ｃ…電気信号検出手段、２５…対物レンズ切替手段、２７…記憶部、２９…画像解析部、３１…画像処理部、３３…制御部、３５…電源、Ｇ１…測定画像、Ｇ２…第１パターン画像、Ｇ３…第２パターン画像、Ｇ４…重畳画像、Ｐ３…形状情報、Ｓ…半導体デバイス。

Claims (11)

  1. 半導体デバイスを対象に測定された測定画像と、前記測定画像に対応する前記半導体デバイスのパターンを示す第１のパターン画像を、第１の光検出器を用いて取得する第１ステップと、
    前記半導体デバイスのパターンを示す第２のパターン画像を、前記第１の光検出器と異なる第２の光検出器を用いて取得する第２ステップと、
    前記第１のパターン画像と前記第２のパターン画像とに基づいて、前記第１のパターン画像と前記第２のパターン画像との相対関係を示すマッチング情報を取得する第３ステップと、
    前記マッチング情報を基に、前記第２のパターン画像と前記測定画像とを重畳することによって重畳画像を取得する第４ステップと、
    を備え、
    前記第３ステップでは、前記第１のパターン画像から輪郭線である第１の形状情報を抽出し、前記第２のパターン画像から輪郭線である第２の形状情報を抽出し、前記第１の形状情報と前記第２の形状情報との間で互いに類似するパターンを検索することによりマッチング情報を取得する、
    ことを特徴とする画像処理方法。
  2. 前記第３ステップでは、前記第１のパターン画像を取得した際の対物レンズの倍率と前記第２のパターン画像を取得した際の対物レンズの倍率とを取得し、前記倍率を基に、前記第１のパターン画像の前記半導体デバイス上の範囲を示す第１の視野サイズと、前記第２のパターン画像の前記半導体デバイス上の範囲を示す第２の視野サイズを求め、前記第１及び第２の視野サイズに基づいて、前記マッチング情報を取得する、
    ことを特徴とする請求項１記載の画像処理方法。
  3. 前記第３ステップでは、前記第１の視野サイズと前記第２の視野サイズとの比に基づいて、前記第１のパターン画像及び前記第２のパターン画像の少なくともいずれか一方の画像サイズを調整する、
    ことを特徴とする請求項２記載の画像処理方法。
  4. 前記第３ステップでは、前記第１のパターン画像及び前記第２のパターン画像の少なくともいずれか一方の低解像度画像を複数の解像度で複数階層で取得し、前記マッチング情報を取得する際に低解像度の階層画像から高解像度の階層画像に順次他方の画像との形状マッチング処理を進める、
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像処理方法。
  5. 前記第４ステップでは、前記マッチング情報を基に、前記第１のパターン画像の画像中の前記第２のパターン画像に対応する範囲を特定し、前記測定画像からその範囲に対応する抽出画像を抜き取り、前記抽出画像と前記第２のパターン画像とを重畳することで前記重畳画像を生成する、
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像処理方法。
  6. 前記マッチング情報は、前記第１のパターン画像と前記第２のパターン画像との相対関係を示す位置情報、回転情報、及び倍率情報の少なくとも１つである、
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像処理方法。
  7. 前記測定画像は、前記半導体デバイスの発熱画像、発光画像、電気量変化画像、光起電流画像、正誤情報画像、位相画像、振幅画像及びＩ／Ｑ画像のうちの少なくとも１つである、
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の画像処理方法。
  8. 前記第２のパターン画像は、半導体デバイスの反射画像、透過画像、ＭＯＢＩＣ画像、及びＣＡＤレイアウト画像のうちのいずれかである、
    ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の画像処理方法。
  9. 半導体デバイスを対象に測定された測定画像であって第１の光検出器を用いて取得された画像と、前記測定画像に対応する前記半導体デバイスのパターンを示す第１のパターン画像であって第１の光検出器を用いて取得された画像と、前記半導体デバイスのパターンを示す第２のパターン画像であって前記第１の光検出器と異なる第２の光検出器を用いて取得された画像とを記憶する記憶部と、
    前記第１のパターン画像と前記第２のパターン画像とに基づいて、前記第１のパターン画像と前記第２のパターン画像との相対関係を示すマッチング情報を取得する画像解析部と、
    前記マッチング情報を基に、前記第２のパターン画像と前記測定画像とを重畳することによって重畳画像を取得する画像処理部と、
    を備え、
    前記画像解析部は、前記第１のパターン画像から輪郭線である第１の形状情報を抽出し、前記第２のパターン画像から輪郭線である第２の形状情報を抽出し、前記第１の形状情報と前記第２の形状情報との間で互いに類似するパターンを検索することによりマッチング情報を取得する、
    ことを特徴とする画像処理装置。
  10. コンピュータを、
    半導体デバイスを対象に測定された測定画像に対応し、前記半導体デバイスのパターンを示す第１のパターン画像であって第１の光検出器を用いて取得された画像と、前記半導体デバイスのパターンを示す第２のパターン画像であって前記第１の光検出器と異なる第２の光検出器を用いて取得された画像とに基づいて、前記第１のパターン画像と前記第２のパターン画像との相対関係を示すマッチング情報を取得する画像解析部、及び
    前記マッチング情報を基に、前記第２のパターン画像と前記測定画像とを重畳することによって重畳画像を取得する画像処理部、
    として機能させ、
    前記画像解析部は、前記第１のパターン画像から輪郭線である第１の形状情報を抽出し、前記第２のパターン画像から輪郭線である第２の形状情報を抽出し、前記第１の形状情報と前記第２の形状情報との間で互いに類似するパターンを検索することによりマッチング情報を取得する、
    ことを特徴とする画像処理プログラム。
  11. 請求項１０記載の画像処理プログラムを記憶した記憶媒体。
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