JP3767739B2

JP3767739B2 - Semiconductor substrate inspection apparatus, semiconductor substrate inspection method and program

Info

Publication number: JP3767739B2
Application number: JP2001373718A
Authority: JP
Inventors: 博己藤本
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: JP2003174066A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上のパターンを検査する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板（以下、「基板」という。）の回路形成工程において、近年、ダマシン工程の利用が主流になりつつある。ダマシン工程では、まず、図１に示すように、絶縁体である酸化シリコン（ＳiＯ₂、以下、「酸化膜」という。）９１に配線用の溝９１１が形成され、溝９１１の中に配線用の金属が埋め込まれる。配線用の金属としては、配線を形成する配線金属９２と、配線金属のイオンが酸化膜中に拡散することを防止するためのバリアメタル９３とが埋め込まれる。
【０００３】
金属が溝９１１に埋め込まれた後は、図２に示すように配線経路を横断するような余分な金属が除去され、適正な配線が形成される。余分な金属を除去する方法としては、多くの場合、化学機械的研磨（Chemichal Mechanical Polishing、以下、「ＣＭＰ」と略す。）が用いられる。ＣＭＰにより、余分な金属が除去されるとともに後のフォトリソグラフィー工程に要求される基板表面の平坦度が得られる。
【０００４】
ダマシン工程を利用する回路形成工程では、余分な金属の除去が完了したか否かを検知すること（研磨における終点検知）が必要になる。従来より、終点検知手法としては、単位時間当たりの研削量から研磨終了予定時間を求め、研磨終了予定時間に研磨が終了するものとみなす手法、または、研磨テーブルの回転トルクの変化により研磨の終点検知を行う手法が用いられている。
【０００５】
しかしながら、研磨終了予定時間や回転トルクの変化により終点を求める手法では、基板上の微細な領域に金属が残って回路に短絡が生じているか否かを確認することができない。そのため、現在では研磨終了後の基板を適宜抜き取って検査担当者が顕微鏡で金属の残り（以下、「メタル残膜」という。）が存在するか否かを検査したり、切断により半導体チップ（以下、「チップ」という。）となった後にテスタを用いて短絡の有無を検査するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
メタル残膜の検査に際して、検査担当者が顕微鏡を用いて検査を行う場合、検査担当者は微細パターンを長時間観察する必要があり、当然、担当者の疲労の度合いが高くなる。その結果、検査の質のばらつきが生じる恐れがある。
【０００７】
また、テスタを用いる検査は基板からチップを切り出した後に行われる検査であり、検査結果が研磨処理から相当の時間を経過した後に得られることから検査結果を効率よく利用することができない。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板を切断してチップを生成する前に、非接触、非破壊にて安定した基板パターンの検査を行うことを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、半導体基板上のパターンを検査する半導体基板検査装置であって、半導体基板に照明光を照射する照明部と、半導体基板上のパターンの２次元画像のデータを取得する撮像部と、前記２次元画像のデータに対して演算処理を行う演算部と、基準画像のデータを記憶する記憶部とを備え、前記演算部が、前記基準画像と前記２次元画像とのそれぞれについて互いの対応する領域における画素の値のヒストグラムを取得し、前記基準画像に基づく第１のヒストグラムと前記２次元画像に基づく第２のヒストグラムとの類似の程度を示す指標値を求める。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体基板検査装置であって、前記第１のヒストグラムが予め前記記憶部に記憶されている。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の半導体基板検査装置であって、前記演算部が、前記基準画像の画素と前記２次元画像の画素とを対応付けを行う。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半導体基板検査装置であって、前記演算部が前記基準画像の画素と前記２次元画像の画素との対応付けを行う際に、前記基準画像に対して前記２次元画像を実質的に任意の角度回転させて前記基準画像と前記２次元画像との相関が求められる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体基板検査装置であって、前記演算部が、前記第１のヒストグラムと前記第２のヒストグラムとの共通部分の面積を前記指標値として求める。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の半導体基板検査装置であって、前記演算部が前記指標値を求める際に、前記第１のヒストグラムの面積と前記第２のヒストグラムの面積とを等しくする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の半導体基板検査装置であって、前記演算部が前記指標値を求める際に、両ヒストグラムの中心が一致するように前記第１のヒストグラムと前記第２のヒストグラムとの相対的位置関係が変更される。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体基板検査装置であって、前記演算部が、動的計画法により前記指標値を求める。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の半導体基板検査装置であって、前記照明部が、単色光を前記照明光として出射する。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載の半導体基板検査装置であって、前記照明部が、複数種類の照明光のうちのいずれかを選択して半導体基板に照射する。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、請求項１ないし１０のいずれかに記載の半導体基板検査装置であって、前記基準画像が、適正な化学機械的研磨が施された半導体基板の画像である。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、半導体基板上のパターンを検査する半導体基板検査方法であって、半導体基板に照明光を照射する工程と、半導体基板上のパターンの２次元画像のデータを取得する工程と、予め準備された基準画像と前記２次元画像とのそれぞれについて互いの対応する領域における画素の値のヒストグラムを取得する工程と、前記基準画像に基づく第１のヒストグラムと前記２次元画像に基づく第２のヒストグラムとの類似の程度を示す指標値を求める工程とを有する。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、コンピュータに半導体基板の検査を実行させるプログラムであって、前記プログラムのコンピュータによる実行は、前記コンピュータに、予め準備された基準画像と、半導体基板を撮像することにより得られた２次元画像とのそれぞれについて互いの対応する領域における画素の値のヒストグラムを取得する工程と、前記基準画像に基づく第１のヒストグラムと前記２次元画像に基づく第２のヒストグラムとの類似の程度を示す指標値を求める工程とを実行させる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図３はダマシン工程により配線パターンが形成された半導体の基板９の検査を行う半導体基板検査装置（以下、「検査装置」という。）１の全体構成を示す図である。
【００２３】
検査装置１は、基板９を撮像することにより２次元画像のデータを取得する光学ヘッド部１１、基板９を支持して光学ヘッド部１１に対して基板９を相対的に移動させるステージ部１２、および、光学ヘッド部１１およびステージ部１２に接続されたコンピュータ１３を有する。
【００２４】
光学ヘッド部１１は、基板９に照明光を導くとともに基板９からの光が入射する光学系１１１、光学系１１１により結像された基板９の像を電気的信号に変換する撮像デバイス１１２、および、複数種類の照明光のうちいずれかを選択して光学系１１１へと出射することにより、基板９に照明光を照射する光源ユニット２を有する。
【００２５】
光源ユニット２は、照明光の種類に応じた複数の光源２１を有し、光源駆動部２２が複数の光源２１を移動させることにより、照明光の切り替えが行われる。光源２１としては、基板９の表面の特性に応じた照明光を出射するものが複数準備されるが、多層膜の視認性を向上するために少なくとも単色光を出射するものが含まれる。もちろん、複数の光源２１には白色光や電球色の光を出射するものが含まれてよい。
【００２６】
ステージ部１２は基板９を支持するステージ１２１、および、ステージ１２１を水平面内で移動させるステージ駆動部１２２を有する。なお、ステージ駆動部１２２にステージ１２１を水平面内で回転させる機構が追加されてもよい。
【００２７】
コンピュータ１３は、図４に示すように、各種演算処理を行うＣＰＵ３１、基本プログラムを記憶するＲＯＭ３２および各種情報を記憶するＲＡＭ３３をバスラインに接続した一般的なコンピュータシステムの構成となっている。バスラインにはさらに、情報記憶を行う固定ディスク３４、各種情報の表示を行うディスプレイ３５、操作者からの入力を受け付けるキーボード３６ａおよびマウス３６ｂ、光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体８から情報の読み取りを行う読取装置３７、並びに、撮像デバイス１１２、光源ユニット２およびステージ駆動部１２２と通信を行う通信部３８が、適宜、インターフェイス（Ｉ／Ｆ）を介する等して接続される。
【００２８】
コンピュータ１３には、事前に読取装置３７を介して記録媒体８からプログラム３４１が読み出され、固定ディスク３４に記憶される。そして、プログラム３４１がＲＡＭ３３にコピーされるとともにＣＰＵ３１がＲＡＭ３３内のプログラムに従って演算処理を実行することにより（すなわち、コンピュータがプログラムを実行することにより）、コンピュータ１３が各種構成を制御して検査を実行する。
【００２９】
図５は、ＣＰＵ３１がプログラム３４１に従って動作することにより、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３等が実現する機能構成を示すブロック図である。図５において制御部４１、マッチング部４２、ヒストグラム生成部４３および判定部４４がＣＰＵ３１等により実現される機能を示す。なお、これらの機能は専用の電気的回路により実現されてもよく、部分的に電気的回路が用いられてもよい。
【００３０】
制御部４１は、撮像デバイス１１２からの画像信号を受け取って固定ディスク３４に取得画像データ３４２として記憶したり、光源ユニット２やステージ駆動部１２２の動作を制御する。マッチング部４２は、撮像デバイス１１２により取得された画像（以下、「取得画像」という。）と後述の基準画像とのパターンマッチングを行い、ヒストグラム生成部４３は取得画像から画素値の度数に関するヒストグラムを求め、判定部４４は、基板９上にメタル残膜が存在するか否かを判定する。
【００３１】
検査装置１では、検査動作が行われる前に検査のための準備動作が行われる。図６は準備動作として、検査に利用される各種データの集合であるレシピを登録する動作の流れを示す図である。
【００３２】
レシピの登録では、まず、予め適正なＣＭＰが施された基準基板がステージ部１２にロードされる（ステップＳ１１）。次に、検査箇所の膜種に応じて照明光が選択される（ステップＳ１２）。すなわち、操作者がコンピュータ３のキーボード３６ａやマウス３６ｂを操作することにより照明光が選択され、操作に応じて制御部４１が光源ユニット２の光源駆動部２２を駆動するとともに選択された光源２１を点灯する。
【００３３】
照明光は、欠陥として検出したい金属や薄膜等の特性に基づいてコントラストの高い画像が得られるものが選択され、好ましくは単色光が選択される。これにより、検査箇所の特性に応じたＳ／Ｎ比の高い画像を得ることができる。
【００３４】
続いて、操作者の操作に基づいてステージ１２１が移動し、基準基板上の特定のチップ内の検査箇所が光学ヘッド部１１の真下へと移動する（ステップＳ１３）。その後、撮像デバイス１１２が撮像を行うことにより、基準となるパターンを示す基準画像のデータが基準画像データ３０３（図５参照）として固定ディスク３４に記憶される（ステップＳ１４）。
【００３５】
図７は基板９上の１つのチップ９４に相当する領域において、複数の検査箇所９４１を例示する図であり、図８は基板９上のチップ９４のうち検査対象となるもの（平行斜線を付すもの）の位置を例示する図である。図７に示すように１回の撮像では１つのチップ９４内の限られた領域のみが撮像対象となる。１つのチップ９４内には、下層の状態や配線パターンの状態に基づいて予めメタル残膜が存在する可能性の高い場所が経験上把握されており、そのような場所が検査箇所９４１内の検査領域９４２として設定される（ステップＳ１５）。図９は基準画像に設定された検査領域９４２を例示する図である。
【００３６】
また、図８に示すように１枚の基板９上においてもＣＭＰの特性からメタル残膜が存在しやすいチップ９４の位置が経験上判明している。そこで、後述の検査動作では、検査対象となる全てのチップ９４の各検査箇所９４１が検査対象とされる。なお、レシピの登録の際には、１つのチップ９４に対してのみ各種条件の取得が行われる。そして、後述の検査の際にはレシピが各チップ９４に対して適用される。
【００３７】
次に、検査領域９４２の画素値に基づいて基準ヒストグラムの生成が行われる（ステップＳ１６）。基準ヒストグラムは面積が１となるように正規化されており、検査領域９４２において画素値ｉの度数（すなわち、画素数）がＨ_０［ｉ］の場合に、基準ヒストグラムの度数Ｎ_０［ｉ］は数１に示す演算により求められる。求められた基準ヒストグラムのデータは固定ディスク３４に基準ヒストグラムデータ３０４（図５参照）として記憶される。
【００３８】
【数１】

【００３９】
基準ヒストグラムが取得されると、操作者により基板９上のパターンの良否を判定するためのしきい値が設定される（ステップＳ１７）。しきい値は操作者の経験に基づいて設定されてもよく、別途準備された不良基板を用いて行われてもよい。
【００４０】
不良基板が用いられる場合の動作については図示を省略しているが、まず、不良基板の検査領域９４２の画像データが取得され、検査領域９４２の正規化されたヒストグラムが求められる。そして、後述の指標値（しきい値と比較される値であり、詳細については検査動作を参照）と同様の手法にて値が求められ、求められた値に基づいて操作者がしきい値を設定する。
【００４１】
１つの検査箇所９４１についてステップＳ１２〜Ｓ１７が完了すると、同一チップ９４内の次の検査箇所９４１に対してステップＳ１２〜Ｓ１７が繰り返される（ステップＳ１８）。ステップＳ１２〜Ｓ１７が１つのチップ９４内の全ての検査箇所９４１に対して実行されると、基板９上の検査対象となるチップ（以下、「対象チップ」という。）９４の選択が行われる（ステップＳ１９）。例えば、図８において平行斜線が施されたチップ９４が対象チップとして選択される。
【００４２】
その後、以上の動作に関連する情報が、図５に示すように固定ディスク３４内にレシピ３４３として登録される（すなわち、レシピ３４３にて示されるデータ構造にて保存される）（ステップＳ２０）。図５に示す照明データ３０１は検査箇所９４１ごとにステップＳ１２にて選択された照明光の種類を示し、位置データ３０２はステップＳ１３にて特定される検査箇所９４１の位置および数並びにステップＳ１５にて設定される検査領域９４２の範囲を示し、基準画像データ３０３はステップＳ１４にて取得された各検査箇所９４１の画像データであり、基準ヒストグラムデータ３０４はステップＳ１６にて生成された各検査領域９４２に関するヒストグラムのデータであり、しきい値３０５は各検査箇所９４１に対してステップＳ１７にて設置された値を示す。
【００４３】
最後に、基準基板がステージ１２１からアンロードされ、レシピ登録の動作が完了する（ステップＳ２１）。
【００４４】
図１０および図１１は、１つの基板（以下、「対象基板」という。）９に対して検査が行われる際の検査装置１の動作の流れを示す図である。以下、検査動作について図３ないし図５を参照しながら図１０および図１１に沿って説明を行う。
【００４５】
まず、対象基板９がステージ部１２のステージ１２１上にロードされる（ステップＳ３１）。対象基板９はＣＭＰ装置またはＣＭＰ装置を有する設備ラインから自動的にロードされてもよく、作業者が適宜、ステージ１２１上に基板９を載置してもよい。
【００４６】
検査装置１では、ロードされた対象基板９が前の検査の基板９と同種であるか否かをコンピュータ１３が確認し（ステップＳ３２）、同種の基板でない場合には対象基板９の種類の応じたレシピ３４３がロードされる（ステップＳ３３）。すなわち、レシピ３４３が固定ディスク３４から読み出されてＲＡＭ３３に記憶され、ＣＰＵ３１によるレシピ３４３の参照が可能とされる。なお、レシピのロードは固定ディスク３４内の１つのレシピ３４３を特定するのみの動作であってもよい。また、図５では便宜上、固定ディスク３４内のレシピ３４３に対して各種データの流れを図示している。
【００４７】
次に、制御部４１の制御に従って撮像デバイス１１２が低い倍率にて撮像を行い、得られた画像と予め準備されたパターン（ノッチ形状や特徴的なパターン）とがＣＰＵ３１により比較されて対象基板９のステージ１２１上のおよその位置および向きが検出される。制御部４１はプリアライメントとして、検出結果に基づいて対象基板９の最初の検査対象となるチップ９４が光学ヘッド部１１のおよそ下方に位置するようにステージ駆動部１２２を制御する（ステップＳ３４）。
【００４８】
プリアライメントが完了すると、制御部４１がレシピ３４３の照明データ３０１を参照して光源駆動部２２を制御し、検査箇所９４１に適した照明光を出射する光源２１を光学系１１１への光導入位置に位置させるとともに選択された光源２１を点灯する。これにより、選択された照明光が光学系１１１を介して対象基板９に照射される（ステップＳ３５）。
【００４９】
さらに、制御部４１はレシピ３４３の位置データ３０２を参照して最初の検査が行われる対象チップ９４の最初の検査箇所９４１が光学ヘッド部１１の真下に位置するようにステージ１２１を移動させる（ステップＳ３６）。そして、撮像デバイス１１２が光学系１１１を介して検査箇所９４１の画像を信号として取得し、画像信号が撮像デバイス１１２中の回路または制御部４１においてデジタルデータに変換され、取得画像データ３４２として固定ディスク３４に記憶される（ステップＳ３７）。図１２は図９に示す基準画像に対応して取得された取得画像を例示する図である。
【００５０】
取得画像データ３４２および基準画像データ３０３は、マッチング部４２へと送られ、例えば、正規化相関法によるパターンマッチングを用いて取得画像と基準画像との位置関係がさらに詳細に調べられる（ステップＳ３８）。具体的には、基準画像に対して取得画像を様々な位置および向きにて重ね合わせ、各画像において重なり合った領域の全画素値を要素として有するベクトルが求められ、両画像に対応する２つのベクトルの内積が算出される。そして、内積が最も大きくなるときの取得画像の位置および向きが求められる。
【００５１】
なお、パターンマッチングでは基準画像に対して取得画像を実質的に任意の角度回転させつつ基準画像と取得画像との相関（内積）が求められる。これにより、基板９の向きに関係なく両画像の対応関係が求められる。例えば、ＣＭＰ装置のように基板９を回転させながら処理する装置から基板９が自動的にロードされる場合、ロード直後の基板９は任意の方向を向くこととなる。このような場合であっても、検査装置１ではステージ１２１を回転させることなくパターンマッチングを行うことができる。また、パターンマッチングにより、後述の判定における精度を高めることができる。
【００５２】
パターンマッチングにより、図１３に示すように基準画像９５１を移動ベクトルｖだけ平行移動して所定の原点を中心に角度θ回転させることにより、基準画像９５１を取得画像９５２に対応付けることができと判明すると、基準画像９５１と取得画像９５２との重なり合う領域（図１３において平行斜線を付す領域）において、数２による演算により、取得画像９５２の座標系における１つの画素の位置ベクトルｐを基準画像９５１の座標系における対応画素の位置ベクトルｑへと変換することが可能となる。ただし、数２においてＡ（−θ）は、角度（−θ）だけ位置ベクトルを回転させる行列である。
【００５３】
【数２】

【００５４】
取得画像データ３４２、移動ベクトルｖ、回転角度θおよび検査領域を示す位置データ３０２はヒストグラム生成部４３に入力され、基準画像中の検査領域に対応する取得画像中の検査領域が特定される（ステップＳ３９）。ヒストグラム生成部４３は取得画像中の検査領域の画素値の度数を示すヒストグラムを生成し（ステップＳ４０）、さらにこのヒストグラムを正規化して対象ヒストグラムを生成する（ステップＳ４１）。対象ヒストグラムは基準ヒストグラムと同様の手法により生成される。すなわち、検査領域において画素値ｉの度数がＨ_１［ｉ］であるものとすると、数３により対象ヒストグラムの度数Ｎ_１［ｉ］が求められる。
【００５５】
【数３】

【００５６】
なお、数３による演算により対象ヒストグラムの面積は基準ヒストグラムの面積と等しくなることから、ステップＳ４１は検査領域のヒストグラムの面積を基準ヒストグラムの面積に等しくなるように対象ヒストグラムの度数を修正する工程であるといえる。
【００５７】
次に、判定部４４がレシピ３４３内の基準ヒストグラムデータ３０４を読み込んで基準ヒストグラムを取得し、ヒストグラム生成部４３から対象ヒストグラムを取得する。そして、これらのヒストグラムを用いて検査領域内のパターンの判定を行う（ステップＳ５１）。図１４は判定部４４による判定処理の流れを示す図である。
【００５８】
判定部４４では、まず、基準ヒストグラムおよび対象ヒストグラムの中心が一致するように対象ヒストグラムの移動（検査領域の明度補正に対応する。）が行われる（ステップＳ５１１）。ヒストグラムの中心はおよその中心を示すものであればどのようなものであってもよく、例えば、ヒストグラムの重心や中間値が中心とされる。対象ヒストグラムの移動により、光源２１の明るさが変化した場合であっても正確な判定を行うことが実現される。なお、基準ヒストグラムが移動されてもよく、基準ヒストグラムと対象ヒストグラムとの相対的位置関係の変更であればよい。
【００５９】
図１５は基準ヒストグラム９６０を例示する図であり、図１６は対象ヒストグラム９６１を例示する図である。図１５において基準ヒストグラム９６０の中間値に対応する画素値がｐ_ｃ１であり、図１６において対象ヒストグラム９６１の中間値に対応する画素値がｐ_ｃ２であるものとした場合、図１６において点９７に対応する画素値がｐ_ｃ１となるように対象ヒストグラム９６１全体が水平方向（画素値の軸方向）に移動される。図１７は基準ヒストグラム９６０と移動後の対象ヒストグラム９６２とを重ねて示す図である。
【００６０】
次に、判定部４４は基準ヒストグラム９６０と移動後の対象ヒストグラム９６２との重なり合う部分（すなわち、共通部分）の面積Ｓ_１（図１７において平行斜線を付す領域の面積）を求める（ステップＳ５１２）。具体的には、画素値ｉに対する基準ヒストグラム９６０の度数Ｎ_０［ｉ］、移動後の対象ヒストグラム９６２の度数Ｎ_１ｓ［ｉ］を用いて、数４に示す演算により面積Ｓ_１が求められる。
【００６１】
【数４】

【００６２】
そして、面積Ｓ_１がとしきい値３０５とが比較され（ステップＳ５１３）、面積Ｓ_１がしきい値３０５を下回る場合にはメタル残膜が存在すると判定され、面積Ｓ_１がしきい値３０５以上の場合にはメタル残膜が存在しないと判定される（ステップＳ５１３）。以上のように、検査装置１では上記面積Ｓ_１が基準ヒストグラムと対象ヒストグラムとの類似の程度を示す指標値として利用される。
【００６３】
なお、ヒストグラムの正規化および移動を行って両ヒストグラムの重なり度合いを指標値とすることにより、指標値と判定結果との関係を安定させることができ、レシピ登録の際のしきい値の設定（図６：ステップＳ１７）を容易に行うことができる。
【００６４】
１つの検査箇所９４１に対する検査が完了すると、対象チップ９４において未検査の次の検査箇所９４１が存在するか確認され（ステップＳ５２）、未検査の検査箇所９４１が存在する場合にはステップＳ３５〜Ｓ４１およびステップＳ５１が繰り返される。さらに、１つの対象チップ９４の全ての検査箇所９４１の検査が完了すると、未検査の次の対象チップ９４が存在するか確認され（ステップＳ５３）、未検査の対象チップ９４が存在する場合には、新たな対象チップ９４の各検査箇所９４１に対してステップＳ３５〜Ｓ４１およびステップＳ５１が繰り返される。
【００６５】
全ての対象チップ９４の全ての検査箇所９４１の検査が完了すると、検査結果の一覧がディスプレイ３５に表示される（ステップＳ５４）。検査装置１の担当者はキーボード３６ａやマウス３６ｂを用いてメタル残膜が存在する検査結果が得られた検査箇所９４１を選択することが可能とされており、操作者が検査箇所９４１を選択することにより、検査結果に対応する取得画像やヒストグラムがディスプレイ３５に表示される（ステップＳ５５，Ｓ５６）。これにより、操作者がメタル残膜の様子を２次元的な分布として的確に把握することができる。
【００６６】
操作者により検査結果が把握されると対象基板９がステージ１２１からアンロードされる（ステップＳ５７）。なお、基板処理ラインから対象基板９を自動的にロードおよびアンロード可能とすることにより、検査装置１をインライン化することができる。検査結果は、アンロードされた対象基板９から得られるチップ９４を処理したり、チップ９４の良、不良を検査する他の装置へと送られて利用される。これにより、他の装置における処理や検査の効率が向上される。
【００６７】
なお、検査結果によっては対象基板９に対するＣＭＰが再実行されてもよい。これにより、不十分なＣＭＰが行われた対象基板９からのチップ９４の歩留まりを向上することができる。
【００６８】
以上のように、検査装置１ではヒストグラムを利用することにより基板９のパターン検査を精度よく自動的に行うことができる。また、不良箇所を２次元の画像として的確に把握することができるため、検査担当者の負担を低減することができ、かつ、非接触、非破壊にて半導体基板のパターンの検査を安定して行うことができる。ヒストグラムの中心値を一致させることにより、薄膜の厚さによる画素値のシフトの効果を除去することもでき、誤判定を低減することが実現される。
【００６９】
また、ヒストグラムを撮像領域内の検査領域に限定して生成するため、メタル残膜の存在する可能性の高い部分のみを精度よく検査することができる。
【００７０】
次に、ヒストグラムを用いる判定部４４の処理の他の例について説明する。基準ヒストグラムと対象ヒストグラムとの類似の程度を示す指標値として最も簡単なものは、両ヒストグラムの距離（度数の相違の累積）である。例えば、図１８に示す基準ヒストグラム９６０と対象ヒストグラム９６１との場合、数５にて示す演算により、平行斜線を付す領域の面積Ｓ_２が指標値として求められる。
【００７１】
【数５】

【００７２】
面積Ｓ_２が指標値として用いられる場合、判定部４４では面積Ｓ_２がしきい値３０５以上の場合にメタル残膜が存在すると判定され、面積Ｓ_２がしきい値３０５を下回る場合にメタル残膜が存在しないと判定される。
【００７３】
また、基準ヒストグラムと対象ヒストグラムとの類似の程度は一次元の波形に対する動的計画法により求められてもよい。動的計画法を用いる場合、ヒストグラムは正規化されなくてもよく、基準画像および取得画像の検査領域における画素値のヒストグラムがそのまま利用されてもよい。以下、基準ヒストグラムおよび対象ヒストグラムに動的計画法を適用する例について説明を行う。
【００７４】
まず、判定部４４が基準ヒストグラムおよび対象ヒストグラムにおいて度数が０でない最も小さな画素値ｐ_ｓ１およびｐ_ｓ２をそれぞれ検出する。そして、画素値ｐ_ｓ１〜２５５の範囲と、画素値ｐ_ｓ２〜２５５の範囲とを動的計画法における経路範囲に設定する。これにより、ヒストグラムの分布が偏っている場合であっても適切な判定が実現される。図１９は経路範囲を示す図であり、始点Ｐｓの座標が（ｐ_ｓ１，ｐ_ｓ２）であり、終点Ｐｅの座標が（２５５，２５５）である様子を示している。
【００７５】
次に、数６によりｄ（ｉ，ｊ）を定義し、座標（ｉ，ｊ）における累積距離ｇ（ｉ，ｊ）を数７により定義する。ただし、初期値ｇ（ｐ_ｓ１，ｐ_ｓ２）はｄ（ｐ_ｓ１，ｐ_ｓ２）とされる。
【００７６】
【数６】

【００７７】
【数７】

【００７８】
ｄ（ｉ，ｊ）は、基準ヒストグラムの画素値ｉにおける度数Ｎ_０［ｉ］と対象ヒストグラムの画素値ｊにおける度数Ｎ_１［ｊ］との差の絶対値であり、座標（ｉ，ｊ）に向かう際に累積距離ｇに加算される値の単位とされる。数７は図２０に示すように、水平または垂直方向に移動して座標（ｉ，ｊ）に至る際には累積距離ｇにｄ（ｉ，ｊ）が加算され、斜めに移動する際には２倍の加算が行われることを示している。そして、これらの移動により得られる３つの値のうち最小のものが座標（ｉ，ｊ）における累積距離ｇ（ｉ，ｊ）とされる。
【００７９】
判定部４４は、終点Ｐｅにおける累積距離ｇ（２５５，２５５）を求め、この累積距離が判定の指標値とされる。そして、指標値が所定のしきい値以上の場合にメタル残膜が存在すると判定し、指標値がしきい値を下回る場合にメタル残膜が存在しないと判定する。動的計画法を利用することにより、精度の高い検査が実現される。なお、動的計画法として既知の他の手法が用いられてもよい。
【００８０】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００８１】
例えば、上記実施の形態において、パターンマッチングの後にステージ１２１が移動したり、回転してもよい。これにより、より精度の高い検査が可能となる。光学ヘッド部１１とステージ１２１とは相対的に移動可能であればよく、例えば、光学ヘッド部１１がステージ１２１に対して移動可能とされてもよい。
【００８２】
上記実施の形態では、検査箇所９４１ごとに照明光の選択が行われるが、１つの基板９に対して照明光の種類が固定されてもよい。
【００８３】
検査装置１が行う検査はＣＭＰの残膜検査に限定されるものではなく、半導体基板のパターンの欠陥検査に広く利用することができる。
【００８４】
上記実施の形態では１つの検査箇所９４１に対して１つの検査領域９４２が設定されるが、検査領域９４２は１つの検査箇所９４１に複数存在してもよい。
【００８５】
また、対象ヒストグラムが生成される検査領域は基準画像と取得画像との重なり合う領域全体とされてもよい。さらに、検査領域は基準画像を複数の領域に分割したものであってもよい。この場合、例えば、取得画像において対応する領域が６割に満たない場合にはその検査領域が判定から除外される。
【００８６】
上記実施の形態では基準ヒストグラムが予め固定ディスク３４に記憶され、判定の際に判定部４４が基準ヒストグラムを取得するが、基準ヒストグラムは検査の都度求められることにより取得されてもよい。もちろん、上記実施の形態のように基準ヒストグラムを予め求めることによりコンピュータ１３における演算量を削減することができる。
【００８７】
【発明の効果】
請求項１ないし１３の発明では、非接触、非破壊にて半導体基板のパターンの検査を安定して行うことができる。
【００８８】
また、請求項２の発明では、演算量を削減することができる。
【００８９】
また、請求項３の発明では、検査精度を高めることができる。
【００９０】
また、請求項４の発明では、半導体基板の向きに関係なく検査を行うことができる。
【００９１】
また、請求項５ないし８の発明では、検査精度を高めることができる。
【００９２】
また、請求項９および１０の発明では、半導体基板の特性に応じたコントラストの高い２次元画像を取得することができる。
【００９３】
また、請求項１１の発明では、メタル残膜の検査を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基板上に配線パターンが形成される様子を説明するための図である。
【図２】基板上に配線パターンが形成される様子を説明するための図である。
【図３】検査装置の全体構成を示す図である。
【図４】コンピュータの構成を示す図である。
【図５】コンピュータの機能構成を示すブロック図である。
【図６】レシピ登録の動作の流れを示す図である。
【図７】複数の検査箇所を例示する図である。
【図８】基板上の検査対象となるチップの位置を例示する図である。
【図９】基準画像を例示する図である。
【図１０】検査動作の流れを示す図である。
【図１１】検査動作の流れを示す図である。
【図１２】取得画像を例示する図である。
【図１３】基準画像と取得画像との重ね合わせを例示する図である。
【図１４】判定処理の流れを示す図である。
【図１５】基準ヒストグラムを例示する図である。
【図１６】対象ヒストグラムを例示する図である。
【図１７】基準ヒストグラムと対象ヒストグラムとが重ね合わされる様子を示す図である。
【図１８】指標値を求める他の例を説明するための図である。
【図１９】動的計画法における経路範囲を示す図である。
【図２０】動的計画法における累積距離を求める手法を説明するための図である。
【符号の説明】
１検査装置
２光源ユニット
９基板
１１光学ヘッド部
１３コンピュータ
３１ＣＰＵ
３４固定ディスク
４２マッチング部
４３ヒストグラム生成部
１１２撮像デバイス
３０３基準画像データ
３４１プログラム
３４２取得画像データ
９５１基準画像
９５２取得画像
９６０基準ヒストグラム
９６１対象ヒストグラム
Ｓ１６，Ｓ３５，Ｓ３７，Ｓ４１，Ｓ５１１ステップ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for inspecting a pattern on a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
In the circuit formation process of a semiconductor substrate (hereinafter referred to as “substrate”), in recent years, the use of a damascene process has become mainstream. In the damascene process, first, as shown in FIG. ₂ Hereinafter, it is referred to as an “oxide film”. ) 91 is formed with a wiring groove 911, and a wiring metal is embedded in the groove 911. As the wiring metal, a wiring metal 92 for forming a wiring and a barrier metal 93 for preventing diffusion of ions of the wiring metal in the oxide film are embedded.
[0003]
After the metal is embedded in the groove 911, as shown in FIG. 2, excess metal that crosses the wiring path is removed, and an appropriate wiring is formed. As a method for removing excess metal, chemical mechanical polishing (hereinafter abbreviated as “CMP”) is often used. By CMP, excess metal is removed and the flatness of the substrate surface required for the subsequent photolithography process is obtained.
[0004]
In the circuit formation process using the damascene process, it is necessary to detect whether or not the removal of excess metal is completed (end point detection in polishing). Conventionally, as the end point detection method, a polishing end scheduled time is obtained from the grinding amount per unit time, and polishing is considered to be finished at the polishing end scheduled time, or the polishing end point is determined by a change in the rotational torque of the polishing table. A detection method is used.
[0005]
However, in the method of obtaining the end point by changing the scheduled polishing end time or the rotational torque, it is not possible to confirm whether or not a short circuit has occurred in the circuit due to metal remaining in a fine region on the substrate. Therefore, at present, the substrate after polishing is appropriately removed, and an inspection person inspects whether or not there is a metal residue (hereinafter referred to as “metal residual film”) with a microscope, or by cutting a semiconductor chip (hereinafter referred to as “metal chip”). The tester is used to check for the presence of a short circuit.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When the inspection person inspects the metal residual film using a microscope, the inspection person needs to observe the fine pattern for a long time, and naturally, the degree of fatigue of the person in charge increases. As a result, inspection quality may vary.
[0007]
Further, the inspection using the tester is an inspection performed after cutting out the chip from the substrate, and since the inspection result is obtained after a considerable time has passed from the polishing process, the inspection result cannot be used efficiently.
[0008]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to inspect a stable substrate pattern in a non-contact and non-destructive manner before a chip is produced by cutting the substrate.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a semiconductor substrate inspection apparatus that inspects a pattern on a semiconductor substrate, and acquires an illumination unit that irradiates the semiconductor substrate with illumination light, and two-dimensional image data of the pattern on the semiconductor substrate. An imaging unit, an arithmetic unit that performs arithmetic processing on the data of the two-dimensional image, and a storage unit that stores data of the reference image, wherein the arithmetic unit includes the reference image and the two-dimensional image. For each, a histogram of pixel values in a corresponding region is obtained, and an index value indicating the degree of similarity between the first histogram based on the reference image and the second histogram based on the two-dimensional image is obtained.
[0010]
A second aspect of the present invention is the semiconductor substrate inspection apparatus according to the first aspect, wherein the first histogram is stored in the storage unit in advance.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor substrate inspection apparatus according to the first or second aspect, the arithmetic unit associates the pixel of the reference image with the pixel of the two-dimensional image.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor substrate inspection apparatus according to the third aspect, when the arithmetic unit associates the pixel of the reference image with the pixel of the two-dimensional image, the reference The correlation between the reference image and the two-dimensional image is obtained by rotating the two-dimensional image substantially at an arbitrary angle with respect to the image.
[0013]
A fifth aspect of the present invention is the semiconductor substrate inspection apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the arithmetic unit has an area of a common part between the first histogram and the second histogram. Is determined as the index value.
[0014]
A sixth aspect of the present invention is the semiconductor substrate inspection apparatus according to the fifth aspect, wherein when the calculation unit obtains the index value, an area of the first histogram and an area of the second histogram And equalize.
[0015]
A seventh aspect of the present invention is the semiconductor substrate inspection apparatus according to the fifth or sixth aspect, wherein when the calculation unit obtains the index value, the centers of the two histograms coincide with each other. The relative positional relationship between the histogram and the second histogram is changed.
[0016]
The invention according to claim 8 is the semiconductor substrate inspection apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the calculation unit obtains the index value by dynamic programming.
[0017]
A ninth aspect of the present invention is the semiconductor substrate inspection apparatus according to any one of the first to eighth aspects, wherein the illumination section emits monochromatic light as the illumination light.
[0018]
A tenth aspect of the present invention is the semiconductor substrate inspection apparatus according to any one of the first to ninth aspects, wherein the illuminating unit selects any one of a plurality of types of illumination light as a semiconductor substrate. Irradiate.
[0019]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the semiconductor substrate inspection apparatus according to any one of the first to tenth aspects, the reference image is an image of a semiconductor substrate that has been subjected to appropriate chemical mechanical polishing.
[0020]
The invention according to claim 12 is a semiconductor substrate inspection method for inspecting a pattern on a semiconductor substrate, the step of irradiating the semiconductor substrate with illumination light, and acquiring data of a two-dimensional image of the pattern on the semiconductor substrate. Obtaining a histogram of pixel values in regions corresponding to each other for each of a reference image and the two-dimensional image prepared in advance, a first histogram based on the reference image, and the two-dimensional image; And obtaining an index value indicating the degree of similarity with the second histogram based on.
[0021]
The invention according to claim 13 is a program for causing a computer to inspect a semiconductor substrate, and the execution of the program by the computer is performed by imaging a reference image prepared in advance and the semiconductor substrate to the computer. A step of obtaining a histogram of pixel values in regions corresponding to each other for each of the obtained two-dimensional images, and a similarity between the first histogram based on the reference image and the second histogram based on the two-dimensional image And a step of obtaining an index value indicating the degree of.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 3 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor substrate inspection apparatus (hereinafter referred to as “inspection apparatus”) 1 for inspecting a semiconductor substrate 9 on which a wiring pattern is formed by a damascene process.
[0023]
The inspection apparatus 1 includes an optical head unit 11 that acquires two-dimensional image data by imaging the substrate 9, a stage unit 12 that supports the substrate 9 and moves the substrate 9 relative to the optical head unit 11, The computer 13 is connected to the optical head unit 11 and the stage unit 12.
[0024]
The optical head unit 11 guides illumination light to the substrate 9 and receives an optical system 111 on which light from the substrate 9 is incident, an imaging device 112 that converts an image of the substrate 9 formed by the optical system 111 into an electrical signal, and The light source unit 2 that irradiates the substrate 9 with illumination light by selecting any one of a plurality of types of illumination light and emitting it to the optical system 111 is provided.
[0025]
The light source unit 2 includes a plurality of light sources 21 corresponding to the type of illumination light, and the illumination light is switched by the light source driving unit 22 moving the plurality of light sources 21. A plurality of light sources 21 that emit illumination light according to the characteristics of the surface of the substrate 9 are prepared, but one that emits at least monochromatic light is included to improve the visibility of the multilayer film. Of course, the plurality of light sources 21 may include one that emits white light or light bulb color light.
[0026]
The stage unit 12 includes a stage 121 that supports the substrate 9 and a stage driving unit 122 that moves the stage 121 within a horizontal plane. Note that a mechanism for rotating the stage 121 in a horizontal plane may be added to the stage driving unit 122.
[0027]
As shown in FIG. 4, the computer 13 has a general computer system configuration in which a CPU 31 that performs various arithmetic processes, a ROM 32 that stores basic programs, and a RAM 33 that stores various information are connected to a bus line. The bus line further includes a fixed disk 34 for storing information, a display 35 for displaying various information, a keyboard 36a and a mouse 36b for receiving input from an operator, an optical disk, a magnetic disk, a magneto-optical disk, and the like. A reading device 37 that reads information from the recording medium 8 and a communication unit 38 that communicates with the imaging device 112, the light source unit 2, and the stage drive unit 122 are appropriately connected via an interface (I / F) or the like. Is done.
[0028]
The computer 13 reads the program 341 from the recording medium 8 via the reader 37 in advance and stores it in the fixed disk 34. Then, the program 341 is copied to the RAM 33, and the CPU 31 executes arithmetic processing according to the program in the RAM 33 (that is, when the computer executes the program), so that the computer 13 controls the various configurations and executes the inspection. To do.
[0029]
FIG. 5 is a block diagram illustrating a functional configuration realized by the CPU 31, the ROM 32, the RAM 33, and the like when the CPU 31 operates according to the program 341. In FIG. 5, the control unit 41, the matching unit 42, the histogram generation unit 43, and the determination unit 44 show functions realized by the CPU 31 and the like. Note that these functions may be realized by a dedicated electric circuit, or an electric circuit may be partially used.
[0030]
The control unit 41 receives an image signal from the imaging device 112 and stores it as acquired image data 342 in the fixed disk 34, and controls operations of the light source unit 2 and the stage drive unit 122. The matching unit 42 performs pattern matching between an image acquired by the imaging device 112 (hereinafter referred to as “acquired image”) and a reference image described later, and a histogram generation unit 43 generates a histogram regarding the frequency of pixel values from the acquired image. The determination unit 44 determines whether or not a metal remaining film exists on the substrate 9.
[0031]
In the inspection apparatus 1, a preparatory operation for inspection is performed before the inspection operation is performed. FIG. 6 is a diagram showing a flow of an operation of registering a recipe that is a collection of various data used for inspection as a preparation operation.
[0032]
In registering a recipe, first, a reference substrate on which appropriate CMP has been performed is loaded onto the stage unit 12 (step S11). Next, illumination light is selected according to the film type at the inspection location (step S12). That is, when the operator operates the keyboard 36a or the mouse 36b of the computer 3, illumination light is selected, and the control unit 41 drives the light source driving unit 22 of the light source unit 2 and the selected light source 21 according to the operation. Light.
[0033]
Illumination light is selected such that a high-contrast image can be obtained based on the characteristics of the metal or thin film desired to be detected as a defect, and preferably monochromatic light is selected. Thereby, an image having a high S / N ratio according to the characteristics of the inspection location can be obtained.
[0034]
Subsequently, the stage 121 is moved based on the operation of the operator, and the inspection location in a specific chip on the reference substrate is moved directly below the optical head unit 11 (step S13). Thereafter, when the imaging device 112 performs imaging, reference image data indicating a reference pattern is stored in the fixed disk 34 as reference image data 303 (see FIG. 5) (step S14).
[0035]
FIG. 7 is a diagram illustrating a plurality of inspection points 941 in an area corresponding to one chip 94 on the substrate 9. FIG. 8 illustrates a chip 94 on the substrate 9 to be inspected (with parallel diagonal lines). It is a figure which illustrates the position of a thing. As shown in FIG. 7, only a limited area in one chip 94 is an imaging target in one imaging. In one chip 94, a place where there is a high possibility that a metal residual film exists in advance is known based on the state of the lower layer and the state of the wiring pattern, and such a place is inspected in the inspection location 941. The region 942 is set (step S15). FIG. 9 is a diagram illustrating an inspection area 942 set in the reference image.
[0036]
Further, as shown in FIG. 8, the position of the chip 94 where a metal residual film is likely to exist also on one substrate 9 is known from experience from the characteristics of CMP. Therefore, in an inspection operation described later, each inspection location 941 of all chips 94 to be inspected is an inspection target. When registering a recipe, various conditions are acquired for only one chip 94. A recipe is applied to each chip 94 at the time of an inspection described later.
[0037]
Next, a reference histogram is generated based on the pixel value of the inspection area 942 (step S16). The reference histogram is normalized so that the area is 1, and the frequency (that is, the number of pixels) of the pixel value i in the inspection region 942 is H. ₀ In the case of [i], the frequency N of the reference histogram ₀ [I] is obtained by the calculation shown in Equation 1. The obtained reference histogram data is stored in the fixed disk 34 as reference histogram data 304 (see FIG. 5).
[0038]
[Expression 1]

[0039]
When the reference histogram is acquired, a threshold value for determining the quality of the pattern on the substrate 9 is set by the operator (step S17). The threshold value may be set based on the experience of the operator, or may be performed using a separately prepared defective substrate.
[0040]
Although the illustration of the operation when a defective substrate is used is omitted, first, image data of the inspection region 942 of the defective substrate is acquired, and a normalized histogram of the inspection region 942 is obtained. Then, a value is obtained by a method similar to an index value described later (a value to be compared with a threshold value, see the inspection operation for details), and an operator sets a threshold value based on the obtained value. Set.
[0041]
When steps S12 to S17 are completed for one inspection location 941, steps S12 to S17 are repeated for the next inspection location 941 in the same chip 94 (step S18). When steps S12 to S17 are executed for all the inspection locations 941 in one chip 94, a chip to be inspected on the substrate 9 (hereinafter referred to as “target chip”) 94 is selected ( Step S19). For example, a chip 94 with parallel diagonal lines in FIG. 8 is selected as the target chip.
[0042]
Thereafter, information related to the above operation is registered as a recipe 343 in the fixed disk 34 as shown in FIG. 5 (that is, stored in the data structure shown in the recipe 343) (step S20). The illumination data 301 shown in FIG. 5 indicates the type of illumination light selected at step S12 for each inspection location 941, and the position data 302 is the position and number of the inspection location 941 specified at step S13 and at step S15. The range of the inspection area 942 to be set is shown, the reference image data 303 is image data of each inspection portion 941 acquired in step S14, and the reference histogram data 304 is related to each inspection area 942 generated in step S16. This is histogram data, and the threshold value 305 indicates the value set in step S17 for each inspection point 941.
[0043]
Finally, the reference substrate is unloaded from the stage 121, and the recipe registration operation is completed (step S21).
[0044]
FIGS. 10 and 11 are diagrams showing the flow of operation of the inspection apparatus 1 when an inspection is performed on one substrate (hereinafter referred to as “target substrate”) 9. The inspection operation will be described below with reference to FIGS. 10 and 11 with reference to FIGS.
[0045]
First, the target substrate 9 is loaded on the stage 121 of the stage unit 12 (step S31). The target substrate 9 may be automatically loaded from a CMP apparatus or an equipment line having the CMP apparatus, and an operator may place the substrate 9 on the stage 121 as appropriate.
[0046]
In the inspection apparatus 1, the computer 13 confirms whether or not the loaded target board 9 is the same type as the previous test board 9 (step S32), and if it is not the same type of board, according to the type of the target board 9 The recipe 343 is loaded (step S33). That is, the recipe 343 is read from the fixed disk 34 and stored in the RAM 33, and the recipe 343 can be referred to by the CPU 31. Note that the loading of the recipe may be an operation of only specifying one recipe 343 in the fixed disk 34. Further, in FIG. 5, for convenience, various data flows for the recipe 343 in the fixed disk 34 are illustrated.
[0047]
Next, the imaging device 112 performs imaging at a low magnification according to the control of the control unit 41, and the obtained image and a previously prepared pattern (notch shape or characteristic pattern) are compared by the CPU 31, and the target substrate 9 is compared. The approximate position and orientation on the stage 121 are detected. As pre-alignment, the control unit 41 controls the stage driving unit 122 so that the chip 94 to be inspected first on the target substrate 9 is positioned approximately below the optical head unit 11 based on the detection result (step S34).
[0048]
When the pre-alignment is completed, the control unit 41 refers to the illumination data 301 of the recipe 343 and controls the light source driving unit 22 so that the light source 21 that emits the illumination light suitable for the inspection location 941 is the light introduction position to the optical system 111. And the selected light source 21 is turned on. Thereby, the selected illumination light is irradiated to the target substrate 9 through the optical system 111 (step S35).
[0049]
Further, the control unit 41 refers to the position data 302 of the recipe 343 and moves the stage 121 so that the first inspection point 941 of the target chip 94 to be subjected to the first inspection is located directly below the optical head unit 11 (Step S41). S36). Then, the imaging device 112 acquires the image of the inspection point 941 as a signal via the optical system 111, and the image signal is converted into digital data by the circuit or the control unit 41 in the imaging device 112, and the fixed disk is obtained as the acquired image data 342. 34 (step S37). FIG. 12 is a diagram illustrating an acquired image acquired corresponding to the reference image shown in FIG.
[0050]
The acquired image data 342 and the reference image data 303 are sent to the matching unit 42, and the positional relationship between the acquired image and the reference image is examined in more detail using, for example, pattern matching by a normalized correlation method (step S38). . Specifically, the acquired image is superimposed on the reference image at various positions and orientations, and a vector having all pixel values of the overlapped area in each image as elements is obtained, and two vectors corresponding to both images are obtained. Is calculated. Then, the position and orientation of the acquired image when the inner product is the largest are obtained.
[0051]
In pattern matching, a correlation (inner product) between the reference image and the acquired image is obtained while rotating the acquired image at an arbitrary angle with respect to the reference image. Thereby, the correspondence between both images is obtained regardless of the orientation of the substrate 9. For example, when the substrate 9 is automatically loaded from an apparatus for processing while rotating the substrate 9 such as a CMP apparatus, the substrate 9 immediately after loading is directed in an arbitrary direction. Even in such a case, the inspection apparatus 1 can perform pattern matching without rotating the stage 121. Moreover, the precision in the below-mentioned determination can be improved by pattern matching.
[0052]
When the reference image 951 is found to be able to be associated with the acquired image 952 by pattern translation, the reference image 951 is translated by the movement vector v and rotated by an angle θ about the predetermined origin as shown in FIG. In the region where the reference image 951 and the acquired image 952 overlap (the region indicated by the parallel diagonal lines in FIG. 13), the position vector p of one pixel in the coordinate system of the acquired image 952 is determined as the coordinates of the reference image 951 by the calculation according to Equation 2. It becomes possible to convert into the position vector q of the corresponding pixel in the system. In Equation 2, A (−θ) is a matrix for rotating the position vector by an angle (−θ).
[0053]
[Expression 2]

[0054]
The acquired image data 342, the movement vector v, the rotation angle θ, and the position data 302 indicating the inspection region are input to the histogram generation unit 43, and the inspection region in the acquired image corresponding to the inspection region in the reference image is specified (step) S39). The histogram generation unit 43 generates a histogram indicating the frequency of the pixel value of the inspection area in the acquired image (step S40), and further normalizes the histogram to generate a target histogram (step S41). The target histogram is generated by the same method as the reference histogram. That is, the frequency of the pixel value i is H in the inspection area. ₁ If it is [i], the frequency N of the target histogram is given by Equation 3. ₁ [I] is required.
[0055]
[Equation 3]

[0056]
Since the area of the target histogram becomes equal to the area of the reference histogram by the calculation according to Equation 3, step S41 is a step of correcting the frequency of the target histogram so that the area of the histogram of the inspection area becomes equal to the area of the reference histogram. It can be said that there is.
[0057]
Next, the determination unit 44 reads the reference histogram data 304 in the recipe 343 to acquire the reference histogram, and acquires the target histogram from the histogram generation unit 43. Then, a pattern in the inspection area is determined using these histograms (step S51). FIG. 14 is a diagram illustrating a flow of determination processing by the determination unit 44.
[0058]
In the determination unit 44, first, the target histogram is moved (corresponding to lightness correction of the inspection area) so that the centers of the reference histogram and the target histogram match (step S511). The center of the histogram may be any as long as it indicates the approximate center, and for example, the center of gravity or the intermediate value of the histogram is the center. Even when the brightness of the light source 21 changes due to the movement of the target histogram, accurate determination is realized. The reference histogram may be moved as long as the relative positional relationship between the reference histogram and the target histogram is changed.
[0059]
FIG. 15 is a diagram illustrating a reference histogram 960, and FIG. 16 is a diagram illustrating a target histogram 961. In FIG. 15, the pixel value corresponding to the intermediate value of the reference histogram 960 is p. _c1 In FIG. 16, the pixel value corresponding to the intermediate value of the target histogram 961 is p. _c2 , The pixel value corresponding to the point 97 in FIG. _c1 Thus, the entire target histogram 961 is moved in the horizontal direction (pixel value axis direction). FIG. 17 is a diagram showing the reference histogram 960 and the moved target histogram 962 in an overlapping manner.
[0060]
Next, the determination unit 44 determines the area S of the overlapping portion (that is, the common portion) of the reference histogram 960 and the moved target histogram 962. ₁ (Area of a region to which parallel oblique lines are added in FIG. 17) is obtained (step S512). Specifically, the frequency N of the reference histogram 960 with respect to the pixel value i. ₀ [I], frequency N of target histogram 962 after movement _1s Using [i], the area S is calculated by the calculation shown in Equation 4. ₁ Is required.
[0061]
[Expression 4]

[0062]
And area S ₁ Are compared with the threshold value 305 (step S513), and the area S ₁ Is less than the threshold value 305, it is determined that there is a remaining metal film, and the area S ₁ Is equal to or greater than the threshold value 305, it is determined that there is no remaining metal film (step S513). As described above, the inspection apparatus 1 has the area S described above. ₁ Is used as an index value indicating the degree of similarity between the reference histogram and the target histogram.
[0063]
By normalizing and moving the histograms and using the degree of overlap between the two histograms as index values, the relationship between the index values and the determination results can be stabilized, and a threshold value can be set for recipe registration ( FIG. 6: Step S17) can be easily performed.
[0064]
When the inspection for one inspection portion 941 is completed, it is confirmed whether or not the next inspection portion 941 that has not been inspected exists in the target chip 94 (step S52). If there is an inspection portion 941 that has not been inspected, steps S35 to S41 are performed. And step S51 is repeated. Further, when the inspection of all the inspection locations 941 of one target chip 94 is completed, it is confirmed whether there is a next target chip 94 that has not been inspected (step S53). Steps S35 to S41 and Step S51 are repeated for each inspection location 941 of the new target chip 94.
[0065]
When the inspection of all the inspection locations 941 of all the target chips 94 is completed, a list of inspection results is displayed on the display 35 (step S54). The person in charge of the inspection apparatus 1 can use the keyboard 36a and the mouse 36b to select the inspection location 941 where the inspection result in which the residual metal film exists is obtained, and the operator selects the inspection location 941. Thus, an acquired image and a histogram corresponding to the inspection result are displayed on the display 35 (steps S55 and S56). As a result, the operator can accurately grasp the state of the metal remaining film as a two-dimensional distribution.
[0066]
When the inspection result is grasped by the operator, the target substrate 9 is unloaded from the stage 121 (step S57). The inspection apparatus 1 can be inlined by automatically loading and unloading the target substrate 9 from the substrate processing line. The inspection result is used by processing the chip 94 obtained from the unloaded target substrate 9 or sending it to another apparatus for inspecting the quality of the chip 94 for defects. This improves the efficiency of processing and inspection in other apparatuses.
[0067]
Depending on the inspection result, CMP on the target substrate 9 may be re-executed. As a result, the yield of the chips 94 from the target substrate 9 on which insufficient CMP has been performed can be improved.
[0068]
As described above, the inspection apparatus 1 can automatically and accurately perform the pattern inspection of the substrate 9 by using the histogram. In addition, since the defective part can be accurately grasped as a two-dimensional image, the burden on the inspector can be reduced, and the inspection of the pattern of the semiconductor substrate can be stably performed in a non-contact and non-destructive manner. It can be carried out. By matching the center values of the histograms, it is possible to eliminate the effect of shifting the pixel value due to the thickness of the thin film and to reduce erroneous determination.
[0069]
In addition, since the histogram is generated by limiting to the inspection area in the imaging area, only a portion where there is a high possibility that the metal residual film exists can be inspected with high accuracy.
[0070]
Next, another example of processing of the determination unit 44 using a histogram will be described. The simplest index value indicating the degree of similarity between the reference histogram and the target histogram is the distance between both histograms (accumulation of frequency differences). For example, in the case of the reference histogram 960 and the target histogram 961 shown in FIG. ₂ Is obtained as an index value.
[0071]
[Equation 5]

[0072]
Area S ₂ Is used as the index value, the determination unit 44 uses the area S ₂ Is equal to or greater than the threshold value 305, it is determined that there is a remaining metal film, and the area S ₂ Is less than the threshold value 305, it is determined that there is no remaining metal film.
[0073]
The degree of similarity between the reference histogram and the target histogram may be obtained by dynamic programming for a one-dimensional waveform. When using dynamic programming, the histogram does not have to be normalized, and the histogram of pixel values in the inspection area of the reference image and the acquired image may be used as they are. Hereinafter, an example in which dynamic programming is applied to the reference histogram and the target histogram will be described.
[0074]
First, the determination unit 44 uses the smallest pixel value p that is not zero in the reference histogram and the target histogram. _s1 And p _s2 Are detected respectively. And the pixel value p _s1 ~ 255 and pixel value p _s2 A range of ˜255 is set as a route range in dynamic programming. Thereby, even if the distribution of the histogram is biased, appropriate determination is realized. FIG. 19 is a diagram showing the route range, where the coordinates of the starting point Ps are (p _s1 , P _s2 ), And the coordinates of the end point Pe are (255, 255).
[0075]
Next, d (i, j) is defined by Equation 6, and the cumulative distance g (i, j) at the coordinates (i, j) is defined by Equation 7. However, the initial value g (p _s1 , P _s2 ) Is d (p _s1 , P _s2 ).
[0076]
[Formula 6]

[0077]
[Expression 7]

[0078]
d (i, j) is the frequency N at the pixel value i of the reference histogram. ₀ [I] and the frequency N at the pixel value j of the target histogram ₁ It is the absolute value of the difference from [j], and is the unit of the value added to the cumulative distance g when going to the coordinates (i, j). As shown in FIG. 20, d (i, j) is added to the accumulated distance g when moving in the horizontal or vertical direction to reach the coordinates (i, j), and when moving diagonally, as shown in FIG. It shows that double addition is performed. The minimum value among the three values obtained by these movements is the cumulative distance g (i, j) at the coordinates (i, j).
[0079]
The determination unit 44 obtains an accumulated distance g (255, 255) at the end point Pe, and this accumulated distance is used as an index value for determination. Then, it is determined that the remaining metal film is present when the index value is equal to or greater than a predetermined threshold value, and it is determined that there is no remaining metal film when the index value is lower than the threshold value. By using dynamic programming, highly accurate inspection is realized. Note that other methods known as dynamic programming may be used.
[0080]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
[0081]
For example, in the above embodiment, the stage 121 may move or rotate after pattern matching. Thereby, inspection with higher accuracy becomes possible. The optical head unit 11 and the stage 121 may be movable relative to each other. For example, the optical head unit 11 may be movable with respect to the stage 121.
[0082]
In the above embodiment, the illumination light is selected for each inspection location 941, but the type of illumination light may be fixed to one substrate 9.
[0083]
The inspection performed by the inspection apparatus 1 is not limited to CMP residual film inspection, but can be widely used for defect inspection of semiconductor substrate patterns.
[0084]
In the above embodiment, one inspection area 942 is set for one inspection place 941, but a plurality of inspection areas 942 may exist in one inspection place 941.
[0085]
Further, the inspection area where the target histogram is generated may be the entire area where the reference image and the acquired image overlap. Further, the inspection area may be obtained by dividing the reference image into a plurality of areas. In this case, for example, when the corresponding area in the acquired image is less than 60%, the inspection area is excluded from the determination.
[0086]
In the above-described embodiment, the reference histogram is stored in advance in the fixed disk 34, and the determination unit 44 acquires the reference histogram at the time of determination. However, the reference histogram may be acquired by obtaining each time of inspection. Of course, the amount of calculation in the computer 13 can be reduced by obtaining the reference histogram in advance as in the above embodiment.
[0087]
【The invention's effect】
According to the first to thirteenth aspects of the present invention, the pattern inspection of the semiconductor substrate can be stably performed in a non-contact and non-destructive manner.
[0088]
In the invention of claim 2, the amount of calculation can be reduced.
[0089]
In the invention of claim 3, the inspection accuracy can be increased.
[0090]
In the invention of claim 4, the inspection can be performed regardless of the orientation of the semiconductor substrate.
[0091]
In the inventions of claims 5 to 8, the inspection accuracy can be increased.
[0092]
In the inventions of claims 9 and 10, it is possible to acquire a two-dimensional image having high contrast according to the characteristics of the semiconductor substrate.
[0093]
In the eleventh aspect of the invention, the metal residual film can be appropriately inspected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining how a wiring pattern is formed on a substrate.
FIG. 2 is a diagram for explaining how a wiring pattern is formed on a substrate.
FIG. 3 is a diagram showing an overall configuration of an inspection apparatus.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a computer.
FIG. 5 is a block diagram illustrating a functional configuration of a computer.
FIG. 6 is a diagram showing a flow of recipe registration operation;
FIG. 7 is a diagram illustrating a plurality of inspection points.
FIG. 8 is a diagram illustrating the position of a chip to be inspected on a substrate.
FIG. 9 is a diagram illustrating a reference image.
FIG. 10 is a diagram illustrating a flow of an inspection operation.
FIG. 11 is a diagram showing a flow of an inspection operation.
FIG. 12 is a diagram illustrating an acquired image.
FIG. 13 is a diagram illustrating a superposition of a reference image and an acquired image.
FIG. 14 is a diagram illustrating a flow of determination processing.
FIG. 15 is a diagram illustrating a reference histogram.
FIG. 16 is a diagram illustrating a target histogram.
FIG. 17 is a diagram illustrating a state in which a reference histogram and a target histogram are superimposed.
FIG. 18 is a diagram for explaining another example for obtaining an index value;
FIG. 19 is a diagram showing a route range in dynamic programming.
FIG. 20 is a diagram for explaining a technique for obtaining a cumulative distance in dynamic programming.
[Explanation of symbols]
1 Inspection device
2 Light source unit
9 Board
11 Optical head
13 Computer
31 CPU
34 Fixed disk
42 Matching part
43 Histogram generator
112 Imaging device
303 reference image data
341 program
342 Acquired image data
951 Reference image
952 Acquired image
960 reference histogram
961 Target histogram
S16, S35, S37, S41, S511 Step

Claims

A semiconductor substrate inspection apparatus for inspecting a pattern on a semiconductor substrate,
An illumination unit for illuminating the semiconductor substrate with illumination light;
An imaging unit for acquiring data of a two-dimensional image of a pattern on a semiconductor substrate;
An arithmetic unit that performs arithmetic processing on the data of the two-dimensional image;
A storage unit for storing reference image data;
With
The calculation unit obtains a histogram of pixel values in regions corresponding to each other for each of the reference image and the two-dimensional image, and a first histogram based on the reference image and a second histogram based on the two-dimensional image. A semiconductor substrate inspection apparatus characterized by obtaining an index value indicating a degree of similarity to a histogram of

The semiconductor substrate inspection apparatus according to claim 1,
The semiconductor substrate inspection apparatus, wherein the first histogram is stored in the storage unit in advance.

The semiconductor substrate inspection apparatus according to claim 1 or 2,
The semiconductor substrate inspection apparatus, wherein the arithmetic unit associates the pixel of the reference image with the pixel of the two-dimensional image.

The semiconductor substrate inspection apparatus according to claim 3,
When the arithmetic unit associates the pixels of the reference image with the pixels of the two-dimensional image, the reference image and the reference image are rotated by rotating the two-dimensional image substantially at an arbitrary angle with respect to the reference image. A semiconductor substrate inspection apparatus characterized in that a correlation with a two-dimensional image is required.

A semiconductor substrate inspection apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor substrate inspection apparatus, wherein the arithmetic unit obtains an area of a common portion between the first histogram and the second histogram as the index value.

The semiconductor substrate inspection apparatus according to claim 5,
The semiconductor substrate inspection apparatus, wherein when the calculation unit obtains the index value, the area of the first histogram is equal to the area of the second histogram.

The semiconductor substrate inspection apparatus according to claim 5 or 6,
The semiconductor substrate inspection wherein the relative positional relationship between the first histogram and the second histogram is changed so that the centers of the two histograms coincide when the calculation unit obtains the index value. apparatus.

A semiconductor substrate inspection apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The said calculating part calculates | requires the said index value by dynamic programming, The semiconductor substrate inspection apparatus characterized by the above-mentioned.

A semiconductor substrate inspection apparatus according to claim 1,
The semiconductor substrate inspection apparatus, wherein the illumination unit emits monochromatic light as the illumination light.

A semiconductor substrate inspection apparatus according to any one of claims 1 to 9,
The said illumination part selects any one of several types of illumination light, and irradiates a semiconductor substrate, The semiconductor substrate inspection apparatus characterized by the above-mentioned.

A semiconductor substrate inspection apparatus according to any one of claims 1 to 10,
The semiconductor substrate inspection apparatus, wherein the reference image is an image of a semiconductor substrate that has been subjected to appropriate chemical mechanical polishing.

A semiconductor substrate inspection method for inspecting a pattern on a semiconductor substrate,
Irradiating the semiconductor substrate with illumination light;
Obtaining data of a two-dimensional image of a pattern on a semiconductor substrate;
Obtaining a histogram of pixel values in regions corresponding to each other for each of the reference image prepared in advance and the two-dimensional image;
Obtaining an index value indicating a degree of similarity between the first histogram based on the reference image and the second histogram based on the two-dimensional image;
A method for inspecting a semiconductor substrate, comprising:

A program for causing a computer to perform inspection of a semiconductor substrate, wherein the execution of the program by the computer includes a reference image prepared in advance by the computer and a two-dimensional image obtained by imaging the semiconductor substrate. Obtaining a histogram of pixel values in corresponding regions of each other,
Obtaining an index value indicating a degree of similarity between the first histogram based on the reference image and the second histogram based on the two-dimensional image;
A program characterized by having executed.