JP3431567B2

JP3431567B2 - 欠陥検査装置及び検査方法

Info

Publication number: JP3431567B2
Application number: JP2000094677A
Authority: JP
Inventors: 恭司山下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2003-07-28
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001281161A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、欠陥検査技術に係
わり、特にＬＳＩパターンが形成された半導体製造用の
フォトマスク，液晶パネル，プリント基板等のパターン
欠陥を検出するための欠陥検査装置及び検査方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスを製造する際には、回路
パターンを作成した原盤となるべきマスクに光を照射
し、このマスクのパターンをウェハ上に縮小転写する工
程が採用されている。このとき、マスクに欠陥が存在す
ると、ウェハ上に転写された際に所望のパターン寸法を
狂わせ、デバイスの性能を損なうおそれがある。そのた
め、マスク製造ラインでは欠陥検査装置を用いてマスク
を検査し、見つかった欠陥を修正している。

【０００３】ところで、検出すべき最小欠陥サイズに関
する仕様は、近年の半導体デバイスの微細化につれて益
々厳しくなってきている。１９９９年度版のＳＩＡロー
ドマップによれば、ウェハ上の最小線幅が１８０ｎｍの
世代では、４倍体マスクで１４４ｎｍの欠陥を検出する
必要があると言われている。このため、マスク欠陥検査
装置の感度向上は避けて通れない課題の一つになってい
る。しかしながら、欠陥の検出感度を高めると、本来検
出する必要のない欠陥までも検出してしまうため、回路
パターンに転写された場合に重大な影響を与える欠陥か
否かを判別する欠陥分類の負担が増大することになる。

【０００４】欠陥分類作業を高速化するために欠陥分類
の自動化も開発が行われており、ウェハの欠陥検査装置
においては自動欠陥分類機能はかなり一般的なものとな
っている。この場合の欠陥分類の元来の目的は、ウェハ
プロセスの異常が起きていないかを定期的にモニタして
おき、異常が起こったときに統計的な解析等を行うこと
で原因を特定する手がかりを得ることに主眼が置かれ、
仮に欠陥を誤って分類しても引き起こすリスクは小さ
い。しかし、マスク検査においては、欠陥の見逃しは致
命的な歩留まり低下などの影響を与えるため、ウェハ欠
陥検査よりも確実な欠陥判定を必要とする。

【０００５】その他、欠陥の転写特性を評価できるツー
ルもいくつか市販されている。例えば、米国ＮＴＩ社の
バーチャルステッパ（Virtua1 Stepper）ソフトウエア
は、欠陥のある場所のセンサ画像を入力して、ステッパ
と同じ光学条件で転写された場合の欠陥の影響を計算に
より求めることができる。また、独ライカ社のリソグラ
フィー顕微鏡エイムス（ＡＩＭＳ）は、波長と照明条件
を露光装置に合わせて結像されたマスクの像強度をＣＣ
Ｄカメラで取り込むことにより、ウェハの欠陥転写特性
をシミュレートすることができるもので、開発現場でよ
く用いられている。

【０００６】しかしながら、上記のバーチャルステッパ
もエイムスも露光装置と顕微鏡の光学条件を一致させて
いるために、検出された欠陥がどのように回路パターン
に影響を与えるかについての情報は与えてくれるが、従
来の顕微鏡よりも解像度を落としているため欠陥自体の
コントラストが低下し、欠陥がどこにあるかを特定でき
にくい状況になっている。

【０００７】また、マスク欠陥検査装置に自動分類機能
を備えたものとして、米国特許5586058「参照データと
の比較によるパターン物体の検査装置及び方法（Appara
tus and method for inspection of a patterned objec
t by comparison thereof toa reference）」がある。
これによれば、欠陥検査を行った後に、検出された欠陥
部のセンサ画像と参照画像を解析するして欠陥分類を行
うことにより、疑似欠陥を低減する方法が開示されてい
る。しかしながら、この方法も欠陥近傍のパターンの特
徴による分類に過ぎず、欠陥転写特性を考慮していない
ため、欠陥か否かを判定するのは現実には容易ではない
と思われる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、確か
に欠陥の検出数が少ないうちは上に述べたようなツール
を用いて転写パターンに影響を与える欠陥のみを抽出す
ることが可能であるが、検出される欠陥の絶対数が増え
てくれば、欠陥数に比例して処理時間もそれだけかかる
ことになる。しかも、小さい欠陥ほど検出される欠陥数
が多いにも拘わらず、転写パターンに影響を与え得るも
のの割合は少なくなる。

【０００９】図６に、欠陥サイズと欠陥数との関係を示
す。図中の破線は全欠陥数、実線は歩留まりに影響を与
える欠陥数であり、欠陥サイズが小さいほど歩留まりに
影響を与える欠陥数の割合が低くなることが分かる。従
って、欠陥を検出した後で欠陥分類を行う方式は極めて
非効率的である。このため、欠陥検査の後ではなく、欠
陥検査の際に転写パターンに影響を与える可能性の高い
欠陥のみを優先的に検出することが必要となる。

【００１０】本発明は、上記事情を考慮して成されたも
ので、その目的とするところは、ウェハ上に転写される
可能性の高い欠陥のみを検査することができ、効率良い
欠陥検査を行い得る欠陥検査装置及び検査方法を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】（構成）上記課題を解決
するために本発明は、次のような構成を採用している。

【００１２】即ち本発明は、回路パターンが形成された
試料の欠陥を検査する欠陥検査装置であって、前記試料
のパターンを光学的に撮像してセンサデータを入力する
手段と、前記センサデータに対して基準となるべき参照
データを入力する手段と、前記センサデータと前記参照
データを画素毎に比較してこれらの不一致量を求める手
段と、前記センサデータの注目画素の近傍に一定の大き
さの欠陥が存在すると仮定して該欠陥がパターンエッジ
を移動させる割合を計算する手段と、前記欠陥がパター
ンエッジを移動させる割合と前記不一致量に基づいて、
該不一致量に相当する部分が検出すべき欠陥か否かを判
定する手段とを具備してなることを特徴とする。

【００１３】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものが挙げられる。

【００１４】(1) 欠陥がパターンエッジを移動させる割
合を計算する手段は、注目画素を中心とする領域内でパ
ターンエッジを抽出するパターンエッジ抽出部と、抽出
されたパターンエッジに対し注目画素からエッジまでの
距離を求める距離計算部と、抽出されたパターンエッジ
に対して勾配を求める勾配計算部と、計算された距離及
び勾配を用いてエッジ移動係数を計算するエッジ移動係
数計算部とを備えたこと。

【００１５】(2) 上記の(1) におけるエッジ移動係数
は、注目画素からパターンエッジｊまでの距離をｄ_j、
パターンエッジｊでの像強度勾配をｇ_j、任意の定数を
Ｃ，ｋとするとき、Ｆ＝Ｃ・exp（−ｋｄ_j ²）／ｇ_j で定義されること。

【００１６】(3) 欠陥がパターンエッジを移動させる割
合を計算する手段は、注目画素を中心とする領域内でパ
ターンエッジを抽出するパターンエッジ抽出部と、抽出
されたパターンエッジに対し注目画素からエッジまでの
距離を求める距離計算部と、抽出されたパターンエッジ
に対し勾配を求める勾配計算部と、計算された距離及び
勾配を用いてエッジ移動係数を計算するエッジ移動係数
計算部と、互いに平行なエッジの対に対してそれぞれ計
算されたエッジ移動係数の和を求めるエッジ移動係数加
算部とを備えたこと。

【００１７】(4) 上記の(3) におけるエッジ移動係数
は、注目画素から平行な二辺のうち片方までの距離をｄ
₁、その辺における像強度の勾配をｇ₁、ラインパター
ンの線幅をＬ、任意の定数をＣ，ｋとするとき、Ｆ(d₁)=Ｃ[exp(-kd₁ ²)+exp{-k(L-d₁)²}]/ｇ₁ で定義されること。

【００１８】(5) 参照データを入力する手段は、隣り合
う同一のパターン同士を比較するタイツーダイ比較方式
であること。

【００１９】(6) 参照データを入力する手段は、回路パ
ターンの設計データから展開した基準データを用いるダ
イツーデータベース比較方式であること。

【００２０】また本発明は、回路パターンが形成された
試料の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、前記試料
のパターンを光学的に撮像して得られるセンサデータと
基準となるべき参照データを画素毎に比較してこれらの
不一致量を求める工程と、前記センサデータの注目画素
の近傍に欠陥が存在すると仮定して該欠陥がパターンエ
ッジを移動させる割合を計算する工程と、前記欠陥がパ
ターンエッジを移動させる割合と前記不一致量に基づい
て、該不一致量に相当する部分が検出すべき欠陥か否か
を判定する工程とを含むことを特徴とする。

【００２１】（作用）本発明によれば、センサデータの
注目画素の近傍に一定の大きさの欠陥が存在すると仮定
して該欠陥が及ぼすパターンエッジの移動割合（欠陥か
らパターンエッジまでの距離，パターンの大きさ等で変
化する）を計算し、この移動割合とセンサデータ・参照
データ間の不一致量（欠陥の大きさ）を基に検出すべき
欠陥か否かを判定することにより、ウェハ上に転写され
る可能性の高い欠陥のみを検査することができ、これに
より効率良い欠陥検査を行うことが可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。

【００２３】図１は、本発明の第１の実施形態に係わる
欠陥検査装置の基本構成を示すブロック図である。

【００２４】検査すべきマスクのセンサ画像（センサデ
ータ）はセンサ画像メモリ１１に記憶され、これに対応
する基準となるべき参照画像（参照データ）は参照画像
メモリ１２に記憶される。マスクのセンサ画像は、ＸＹ
ステージに保持されたマスクを走査しながらＣＣＤセン
サ等により光学的に撮像することにより入力される。参
照画像を得るには、隣り合う同一のパターン同士を比較
するタイツーダイ比較と、回路パターンの設計データか
ら展開した基準データを用いるダイツーデータベース比
較の方式があり、何れを用いてもよい。

【００２５】比較部１３は、センサ画像と参照画像を画
素毎に比較してその不一致箇所を抽出している。センサ
画像と参照画像の不一致量とは、注目画素の近傍におけ
るセンサデータと参照データとの差を取ったもので、欠
陥の大きさに相当している。また、不一致量を求めるに
は上記のようにセンサデータと参照データとの差を取る
のが一般的であるが、これに限らず、ある方向に空間微
分したものの差を取ったものを代用してもよい。

【００２６】欠陥転写評価部１４では、センサデータの
注目画素に欠陥が存在した場合にこの欠陥が露光装置で
ウェハに転写された際に、所望回路パターンヘ及ぼす影
響を評価している。欠陥判定部１５では、比較部１３か
らの不一致量のデータと欠陥転写評価部１４からの評価
データとを比較して、欠陥の有無を判定する。

【００２７】図２は、欠陥転写評価部１４のより具体的
な構成を示すブロック図である。参照データを入力して
パターンエッジを抽出するパターンエッジ抽出部２１
と、パターンエッジの注目画素からの距離を計算する距
離計算部２２と、パターンエッジの注目画素からの勾配
を計算する勾配計算部２３と、注目画素からの距離及び
勾配のデータを基にパターンエッジに対する最大エッジ
移動量を計算するエッジ移動係数計算部２４とから構成
されている。そして、この欠陥転写評価部１４では、後
述するように欠陥転写評価関数（エッジ移動係数）Ｆを
得ることができるようになっている。

【００２８】図３は、欠陥転写特性に影響する要因の一
例を説明するためのもので、（ａ）は回路パターンと欠
陥の位置関係、（ｂ）は回路パターン自体の大きさ、
（ｃ）は欠陥の大きさ、が異なる場合をそれぞれ示し、
更に（a1）（b1）（c1）はマスクイメージ、（a2）（b
2）（c2）は転写イメージを示している。また、図中の
３１はラインパターン、３２は欠陥を示している。

【００２９】（ａ）〜（ｃ）のいずれも下方よりも上方
の欠陥の方が転写性が大きいことを示している。即ち、
（ａ）同じ大きさの欠陥でも、回路パターンとの距離が
近いものほど転写性が大きい、（ｂ）同じ大きさの欠陥
でも、微細な回路パターンほど像コントラストが低いた
めに欠陥による像強度の低下による寸法変動が大きい、
（ｃ）欠陥サイズの大きいものほど転写性が大きい、こ
とを説明している。

【００３０】以上のように欠陥と所望回路パターンとの
距離、回路パターンのサイズ、欠陥自体のサイズ等を考
慮して欠陥転写特性を評価する具体的なアルゴリズムを
説明する。

【００３１】図４は、欠陥転写評価のアルゴリズムを説
明するためのもので、（ａ）はセンサ画像、（ｂ）は参
照画像、（ｃ）は像強度分布、（ｄ）はエッジ移動係数
の計算式を示している。図中の４０は回路パターン、４
１は注目画素、４２は欠陥転写可能範囲、４３はパター
ンエッジ領域、４４はエッジ移動量を示している。欠陥
転写範囲４２は、少なくとも転写装置の解像度に応じた
半径を有し、注目画素４１を中心とする円内領域を考え
ればよい。しかし、欠陥転写範囲４２は円形に限られる
ものではなく矩形でもよい。パターンエッジ領域４３
は、参照データから微分等の画像処理にて抽出される回
路パターン４０のエッジに対応するものである。

【００３２】さて、欠陥転写評価部１４では、欠陥転写
範囲４２に含まれるパターンエッジに対して下記の式
（１）に示すように欠陥転写評価関数（エッジ移動係
数）Ｆを求めることができる。

【００３３】Ｆ＝Ｃ・exp（−ｋｄ_j ²）／ｇ_j …（１）欠陥転写評価関数Ｆは、注目画素の近傍に一定の大きさ
を有する欠陥が存在した場合に、その欠陥による光強度
の変化が回路パターンのパターンエッジの位置を移動さ
せる割合を表すものである。従って、この値が大きいほ
ど欠陥転写性の高い欠陥となる。

【００３４】ここで、ｄ_jは注目画素からパターンエッ
ジｊまでの距離、ｇ_jはパターンエッジｊでの像強度勾
配を示す。また、Ｃ，ｋは任意の定数である。この式に
基づいて欠陥転写評価することにより、欠陥とパターン
エッジとの距離及び像強度勾配を考慮することで、回路
パターンの寸法に影響を与える欠陥を優先的に検出する
ことができる。さらに、欠陥の極性、即ちピンドットか
又はピンホールかという欠陥種類やマスク材料の違いに
より欠陥の転写特性が異なる場合があるため、上記の定
数であるＣ，ｋを欠陥種類及びマスク材料毎に最適な値
をとるように適宜変えることは有効である。

【００３５】欠陥判定部１５では、センサ画像と参照画
像の不一致量及び欠陥転写評価の結果を考慮して、欠陥
か否かの判別が行われる。そして、その判別結果は欠陥
情報として出力される。ここで、センサ画像をＳ_i、参
照画像をＲ_iとし、しきい値をθとすれば、欠陥判定部
１５では、例えばＦ（Ｓ_i−Ｒ_i）＞θのとき欠陥有り
と判定することになる。つまり、欠陥の大きさが大きい
ほど、欠陥からパターンエッジまでの距離が短いほど、
パターンの線幅が細いほど、優先的に欠陥として検出さ
れることになる。

【００３６】次に、欠陥転写評価アルゴリズムの適用例
について説明する。下記の式（２）は欠陥が存在する位
置と、ラインパターンの線幅に及ぼす影響の大きさの関
係を示している。

【００３７】ここで、ｄ₁は注目画素から平行な二辺のうち片方まで
の距離、ｇ₁はその辺における像強度の勾配、Ｌはライ
ンパターンの線幅を表している。

【００３８】各変数をｆ(x)＝Ｆ(ｄ₁)・ｇ₁／Ｃ，ｘ＝
ｋ^1/2ｄ₁，Ｌ’＝ｋ^1/2Ｌと正規化して下記の式
（３）が得られる。

【００３９】ｆ(x)＝exp(-ｘ²)+exp{(Ｌ’-ｘ)²｝ …（３）線幅Ｌ’に対するｆ(x) の特性を、図５（ａ）（ｂ）に
示す。（a1）は線幅Ｌ＝３．０に対する特性図、（a2）
は線幅Ｌ’＝３．０の矩形パターン内に欠陥が存在する
様子を示す図、（b1）は線幅Ｌ＝１．０に対する特性
図、（b2）は線幅Ｌ’＝１．０の矩形パターン内に欠陥
が存在する様子を示す図である。なお、（a2）（b2）に
おいて、矩形パターンはいわゆる抜きパターンであり、
その周囲は遮光部となっている。

【００４０】（a1）（b1）において、横軸は欠陥の位置
を示しており、縦軸は所望回路パターンの寸法変動係数
を示している。edge-1＋edge-2 は２つのパターンエッ
ジに対応したガウス関数 edge-1 と edge-2 を加算した
ものであり、回路パターンの線幅によって振舞が異なっ
ている。つまり、（ａ）のように線幅がある程度大きい
場合はＬ’＝０又はＬ’＝３．０のように周辺の方が欠
陥転写性が高いのに対し、（ｂ）のように線幅が小さく
なるにつれＬ’＝０．５のように周辺でなく中央の方が
欠陥転写性が高くなる。このように、パターンの線幅に
よって中央部と周辺部とで欠陥転写性が異なったものと
なるのが分かる。

【００４１】このように本実施形態によれば、比較部１
３によりセンサデータと参照データの不一致量を求め、
この不一致量に基づいて欠陥判定部１５により欠陥を判
定する際に、欠陥転写評価部１４により欠陥転写評価関
数を求め、この欠陥転写評価関数を基に検出すべき欠陥
か否かを判定することにより、ウェハ上に転写される可
能性の高い欠陥のみを優先的に検出することができる。
しかも、欠陥検査の後ではなく欠陥検査の際に転写パタ
ーンに影響を与える欠陥のみを検出できるので、検査効
率の大幅な向上をはかることができる。

【００４２】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、セ
ンサデータと参照データを画素毎に比較してこれらの不
一致量を求めると共に、センサデータの注目画素の近傍
に一定の大きさの欠陥が存在すると仮定して該欠陥がパ
ターンエッジを移動させる割合を計算し、欠陥がパター
ンエッジを移動させる割合と不一致量に基づいて検出す
べき欠陥か否かを判定することにより、ウェハ上に転写
される可能性の高い欠陥のみを高精度に検査することが
でき、効率良い欠陥検査を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わる欠陥検査装置の基
本構成を示すブロック図。

【図２】図１の装置における欠陥転写評価部の具体的な
構成を示すブロック図。

【図３】実施形態における欠陥転写特性に影響する要因
を説明するための模式図。

【図４】実施形態における欠陥転写評価のアルゴリズム
を説明するための模式図。

【図５】実施形態における欠陥転写評価の適用例を説明
するための模式図。

【図６】欠陥サイズと欠陥数との関係を示す特性図。

【符号の説明】

１１…センサ画像メモリ１２…参照画像メモリ１３…比較部１４…欠陥転写評価部１５…欠陥判定部２１…パターンエッジ抽出部２２…距離計算部２３…勾配計算部２４…エッジ移動係数計算部３１…ラインパターン３２…欠陥４０…回路パターン４１…注目画素４２…欠陥転写可能範囲４３…バタンエッジ領域４４…エッジ移動量

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/84 - 21/958 G01B 11/00 - 11/30 G03F 1/00 - 1/16 H01L 21/64 - 21/66

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回路パターンが形成された試料の欠陥を検
査する欠陥検査装置であって、前記試料のパターンを光学的に撮像してセンサデータを
入力する手段と、前記センサデータに対して基準となるべき参照データを
入力する手段と、前記センサデータと前記参照データを画素毎に比較して
これらの不一致量を求める手段と、前記センサデータの注目画素の近傍に一定の大きさの欠
陥が存在すると仮定して該欠陥がパターンエッジを移動
させる割合を計算する手段と、前記欠陥がパターンエッジを移動させる割合と前記不一
致量に基づいて、該不一致量に相当する部分が検出すべ
き欠陥か否かを判定する手段と、を具備してなることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項２】前記欠陥がパターンエッジを移動させる割
合を計算する手段は、前記注目画素を中心とする領域内
でパターンエッジを抽出するパターンエッジ抽出部と、
抽出されたパターンエッジに対し前記注目画素から前記
エッジまでの距離を求める距離計算部と、前記抽出され
たパターンエッジに対し勾配を求める勾配計算部と、前
記計算された距離及び勾配を用いてエッジ移動係数を計
算するエッジ移動係数計算部とを備えたことを特徴とす
る請求項１記載の欠陥検査装置。
【請求項３】前記エッジ移動係数は、前記注目画素から
パターンエッジｊまでの距離をｄ_j、パターンエッジｊ
での像強度勾配をｇ_j、任意の定数をＣ，ｋとすると
き、Ｆ＝Ｃ・exp（−ｋｄ_j ²）／ｇ_j で定義されることを特徴とする請求項２記載の欠陥検査
装置。
【請求項４】前記欠陥がパターンエッジを移動させる割
合を計算する手段は、前記注目画素を中心とする領域内
でパターンエッジを抽出するパターンエッジ抽出部と、
抽出されたパターンエッジに対し前記注目画素から前記
エッジまでの距離を求める距離計算部と、前記抽出され
たパターンエッジに対し勾配を求める勾配計算部と、前
記計算された距離及び勾配を用いてエッジ移動係数を計
算するエッジ移動係数計算部と、互いに平行なエッジの
対に対してそれぞれ計算された前記エッジ移動係数の和
を求めるエッジ移動係数加算部とを備えたことを特徴と
する請求項１記載の欠陥検査装置。
【請求項５】前記エッジ移動係数は、前記注目画素から
平行な二辺のうち片方までの距離をｄ₁、その辺におけ
る像強度の勾配をｇ₁、ラインパターンの線幅をＬ、任
意の定数をＣ，ｋとするとき、Ｆ(d₁)=Ｃ[exp(-kd₁ ²)+exp{-k(L-d₁)²}]/ｇ₁ で定義されることを特徴とする請求項４記載の欠陥検査
装置。
【請求項６】回路パターンが形成された試料の欠陥を検
査する欠陥検査方法であって、前記試料のパターンを光学的に撮像して得られるセンサ
データと基準となるべき参照データを画素毎に比較して
これらの不一致量を求める工程と、前記センサデータの注目画素の近傍に欠陥が存在すると
仮定して該欠陥がパターンエッジを移動させる割合を計
算する工程と、前記欠陥がパターンエッジを移動させる割合と前記不一
致量に基づいて、該不一致量に相当する部分が検出すべ
き欠陥か否かを判定する工程と、を含むことを特徴とする欠陥検査方法。