JP4185789B2

JP4185789B2 - パターン検査方法及びその装置

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Publication number: JP4185789B2
Application number: JP2003065886A
Authority: JP
Inventors: 薫酒井; 俊二前田; 隆史岡部
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: US20040240723A1; US20090226076A1; US20090169093A1; US7949178B2; JP2004271470A; US7433508B2; US20090003682A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光もしくはレーザなどを用いて得られた対象物の画像と、参照画像を比較し、その差異から微細パターン欠陥や異物等の検査に係り、特に半導体ウェハ、ＴＦＴ、ホトマスクなどの外観検査を行うのに好適なパターン検査装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
検査対象画像と参照画像とを比較して欠陥検出を行う従来の技術としては、特開平０５−２６４４６７号公報に記載の方法が知られている。
【０００３】
これは、繰り返しパターンが規則的に並んでいる検査対象試料をラインセンサで順次撮像し、繰り返しパターンピッチ分の時間遅れをおいた画像と比較し、その不一致部をパターン欠陥として検出するものである。このような従来の検査方法を半導体ウェハの外観検査を例に説明する。検査対象となる半導体ウェハには図６に示すように同一パターンのチップが多数、規則的に並んでいる。各チップは図７に示すようにメモリマット部７１と周辺回路部７２に大別することができる。メモリマット部７１は小さな繰り返しパターン（セル）の集合であり、周辺回路部７２は基本的にランダムパターンの集合である。一般的にはメモリマット部７１はパターン密度が高く、明視野照明光学系で得られる画像は暗くなる。これに対し、周辺回路部７２はパターン密度が低く、得られる画像は明るくなる。従来の外観検査では、隣接する２つのチップの同じ位置、例えば図６の領域６１と領域６２等での画像を比較し、その差異を欠陥として検出する。このとき、ステージの振動や対象物の傾きなどがあり、２枚の画像の位置が合っているとは限らないため、センサで撮像した画像と、繰り返しパターンピッチ分の遅延された画像の位置ずれ量を求め、求められた位置ずれ量に基づき２枚の画像の位置合わせを行った後、画像間の差をとり、差が規定のしきい値よりも大きいときに欠陥と，小さいときは非欠陥と判定する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０５−２６４４６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
比較検査における２枚の画像の位置合わせでは，画像内のエッジ部を，位置ずれ量演算の１つの情報とし，画像間のエッジ部のずれが最小になるように位置ずれ量を算出するのが一般的である。実際には正規化相互相関を用いる方法，残差の総和を用いる方法などが提案されているが、いずれもその計算量は膨大で、検査の高速化を実現するために，位置ずれ量演算部のハード化や演算回路を増やすなどの対策や位置ずれ量演算の簡易化など画像処理アルゴリズムの変更が必要であった。
【０００６】
また、検査対象となる半導体ウェハではＣＭＰなどの平坦化によりパターンに膜厚の微妙な違いが生じ、チップ間の画像には局所的に明るさの違いがある。例えば、図４（ａ）の４１は検査対象画像，図４（ｂ）の４２は参照画像の一例であり、図４（ａ）の４ａ、図４（ｂ）の４ｂに示すように検査対象画像と参照画像の同一のパターンで明るさの違いが生じている。また、検査対象画像図４（ａ）の４１には欠陥４ｄがある。この場合の差画像は図４（ｃ）のようになる。差画像とは検査対象画像と参照画像の対応する各位置での差分値に応じて濃淡差表示した画像のことである。位置１Ｄ−１Ｄ‘での差分値の波形は図４（ｄ）のようになっている。このような画像に対し、従来方式のように、差分値が特定のしきい値ＴＨ以上となる部分を欠陥とするならば、明るさの異なるパターン４ａと４ｂの差分値４ｃは、欠陥として検出されることになる。これは本来、欠陥として検出されるべきものではない。つまり虚報である。従来、図４（ｃ）の４ｃのような虚報発生を避けるための１つの方法として、しきい値ＴＨを大きくしていた（図４（ｄ）ＴＨ→ＴＨ２）。しかし、これは感度を下げることになり、同程度以下の差分値の欠陥４ｄは検出できない。
また、膜厚の違いによる明るさの違いは、図６に示した配列チップのうち、ウェハ内の特定チップ間でのみ生じる場合や、チップ内の特定のパターンでのみが生じる場合があるが、これらのローカルなエリアにしきい値ＴＨを合わせてしまうと全体の検査感度を著しく低下させることになる。
【０００７】
本発明の目的は、このような従来検査技術の問題を解決して、同一パターンとなるように形成された２つのパターンの対応する領域の画像を比較して画像の不一致部を欠陥と判定するパターン検査装置において、膜厚の違いなどから生じるパターンの明るさむらの影響を低減し、高感度なパターン検査を実現することにある。
【０００８】
また、画像比較アルゴリズムの変更を必要とせずに対応し、高速なパターン検査を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、同一パターンとなるように形成された２つのパターンの対応する領域の画像を比較して画像の不一致部を欠陥と判定するパターン検査装置を、イメージセンサによる画像の検出処理と画像の比較処理並びに欠陥判定処理を異なる時間で行う手段を備えて構成した。その具体的な例としては、画像の比較処理を複数領域で並列に処理する手段を備えている。このため、画像の比較処理を行うユニットを複数個とその数と同一数以下のメモリを備えている。また、イメージセンサのメモリへの書き込みとメモリからの読み出しを異なる時間で行う手段を備えている。
【００１０】
また、パターン検査装置を、異なる複数の処理単位で比較画像間の画像信号の階調を変換する手段を備えて構成した。これにより、検査対象が半導体ウェハで、ウェハ内の膜厚の違いや、照明光量変動、イメージセンサの画素毎の感度ばらつき、光量蓄積時間むらなどにより画像間の同一パターンで明るさの違いが生じている場合であっても、正しく欠陥を検出できるようにした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１から図２０により、詳細に説明する。
【００１２】
実施例として、半導体ウェハを対象とした光学式外観検査装置における欠陥検査方法を例にとると、図１は装置の構成の一例を示したものである。１１は試料（半導体ウェハなどの被検査物）、１２は試料１１を搭載し、移動させるステージ、１３は検出部で、試料１１を照射する光源１０１、光源１０１から出射した光を集光する照明光学系１０２、照明光学系１０２で集光された照明光で試料１１を照明し、反射して得られる光学像を結像させる対物レンズ１０３、結像された光学像を受光し、明るさに応じた画像信号に変換するイメージセンサ１０４，イメージセンサ１０４からの入力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部１０５で構成される。
【００１３】
ここで、光源101として、図１に示した例では、ランプを用いた場合を示しているが、レーザを用いても良い。また、光源１０１から発した光の波長としては短波長であっても良く、また、広帯域の波長の光（白色光）であってもよい。短波長の光を用いる場合、検出する画像の分解能を上げる（微細な欠陥を検出する）ために、紫外領域の波長の光（ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔＬｉｇｈｔ：ＵＶ光）を用いることもできる。
【００１４】
また、イメージセンサ１０４に複数の１次元イメージセンサを２次元に配列して構成した時間遅延積分型のイメージセンサ（ＴｉｍｅＤｅｌａｙＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒ：ＴＤＩイメージセンサ）を採用し、ステージ１３の移動と同期して各１次元イメージセンサが検出した信号を次段の１次元イメージセンサに転送して加算することにより、比較的高速で高感度に検出することが可能になる。
【００１５】
１４は、画像編集部で，検出部１３で検出された画像のデジタル信号に対してシェーディング補正、暗レベル補正等の画像補正を行う前処理部１０６、比較対象となる検出画像と参照画像のデジタル信号を格納しておく画像メモリ１０７で構成される。
【００１６】
１５は、試料であるウェハ内の欠陥候補を算出する画像比較処理部であって、複数のセット（１５−１，１５−２）を備えている。画像比較処理部１５−１は、画像編集部１４の画像メモリ１０７−１に記憶された2枚の画像（検出画像と参照画像）を比較し，差分値がしきい値より大きい部分を欠陥とする。まず、画像メモリ１０７−１に記憶された検出画像と参照画像のデジタル信号を読み出し、位置ずれ検出部１０８−１で位置のずれを合わせるための位置ずれ量を算出し、明るさ補正部１０９−１で検出画像と参照画像の明るさのずれを合わせ込むための信号補正量を算出する。そして画像比較部１１０−１で算出された位置ずれ量と信号補正量を用いて、検出画像と参照画像の画像信号の対応する位置での明るさの比較を行い、差分値が特定のしきい値より大きい部分を欠陥候補として出力する。しきい値設定部１１１−１は、差分値から欠陥候補を抽出する際のしきい値を領域毎に設定し、画像比較部１１０−１に与える。
【００１７】
画像比較部１５−２においても、画像メモリ１０−２に記憶された２枚の画像を用いて、画像比較処理部１５−１と同様の手順で処理を行う。
【００１８】
１６は全体制御部で、ユーザからの検査パラメータ（画像比較で用いられるしきい値など）の変更を受け付けたり、検出された欠陥情報を表示したりする表示手段と入力手段を持つユーザインターフェース部１１２、検出された欠陥候補の特徴量や画像などを記憶する記憶装置１１３、各種制御を行うＣＰＵ(全体制御部１６に内臓)で構成される。１１４は、全体制御部１６からの制御指令に基づいてステージ１２を駆動するメカニカルコントローラである。尚、画像比較処理部１５−１，１５−２、検出部１３等も全体制御部１６からの指令により駆動する。
【００１９】
検査対象となる半導体ウェハ１１は、図６に示すように同一パターンのチップが多数、規則的に並んでいる。図１の検査装置では、全体制御部１６では試料である半導体ウェハ１１をステージ１２により連続的に移動させ、これに同期して、順次、チップの像を検出部１３より取り込み、隣接する２つのチップの同じ位置、例えば図６の領域６１と領域６２とのデジタル画像信号をそれぞれ検出画像及び参照画像として上記手順で比較し、その差異を欠陥として検出する。
【００２０】
ここで、本例の検査装置では、２つの画像比較処理部１５−１と１５−２とを持ち、並列に処理を行う。また、画像メモリ１０７−１、１０７−２も、それぞれの画像比較部に対応している。図２はその処理の流れを示す図である。ここでは７つのチップ、チップ1〜チップ７を検査する場合を説明する。
【００２１】
まず、イメージセンサ１０４は、順次チップの画像を取り込んでいく。画像編集部１４はセンサの画像取り込み速度に連動して、前処理部１０６でチップ画像の前処理を行い、メモリ１０７へ書き込む。このとき、チップ１の画像は画像比較処理部１５−１用のメモリ１０７−１へ、チップ７の画像は画像比較処理部１５−２用のメモリ１０７−２へ、チップ２〜６の画像はメモリ１０７−１、１０７−２の両方へ書き込みを行う。これに対し、画像比較処理部１５−１、１５−２はそれぞれ、書き込み速度の半分の速度でメモリ１０７−１及び１０７−２から画像を読み出し、2枚の画像が揃った時点で読み出しと平行して、位置ずれ量算出、信号補正量算出、欠陥候補の抽出といった画像比較を行う。画像比較の処理速度もセンサによる画像取り込み速度の半分である。画像比較処理部１５−１と１５−２は並列に交互のチップの検査を行う。
【００２２】
図３は、別の処理の流れを示す図である。ここでは、1つのチップの画像を取り込む時間で、２台の画像比較処理部１５−１と１５−２はそれぞれ、１／２チップ分の領域（例えば、チップの長さLに対し、１５−１はチップの前半部L／２、１５−２はチップの後半部L／２）の画像比較を行う。まず、イメージセンサ１０４は順次、チップの画像を取り込んでいく。画像編集部１４はセンサの画像取り込み速度に連動して、チップ画像の前処理を行い、各チップの前半部Ｌ／２の画像は画像比較処理部１５−１用のメモリ１０７−１へ、後半部Ｌ／２の画像は画像比較処理部１５−２用のメモリ１０７−２へ書き込みを行う。これに対し、画像比較処理部１５−１、１５−２はそれぞれ、書き込み速度の半分の速度で画像を読み出し、２チップ分の画像が揃った時点で読み出しと平行して、位置ずれ量算出、信号補正量算出、欠陥候補の抽出といった画像比較を行う。画像比較の処理速度も図３に示すようにセンサによる画像取り込み速度の半分であり、１チップ分の画像を取り込む間に画像比較処理部１５−１と１５−２は並列にその半分ずつの長さの検査を行う。
【００２３】
以上に示したように画像の検出処理の速度と比較処理の速度とが異なっている場合、すなわち、画像比較処理部１５の処理速度がイメージセンサ１０４による対象チップの画像取り込み速度、並びに画像編集速度の半分であっても、画像比較処理部を複数台並列に処理させることにより、イメージセンサの取り込み速度に応じた検査速度を実現することができる。例えば、取得光量の関係などから換算し、イメージセンサの画像取り込み速度が最速１．６Gpps（pps：pixel per second）であったとすると、画像比較処理部１５の処理能力がその半分の０．８Gppsしかない場合でも、本構成をとることにより、検査処理速度１．６Gppsを実現することが可能となる。当然のことながら、イメージセンサのスピードが更に高速な場合であっても、上記に説明した画像比較処理部１５を３台以上で構成して取得した画像信号を並列処理させることにより、対応可能となる。また、イメージセンサの画像取り込み幅が増えた場合にも対応可能となる。
【００２４】
上記実施例においては、イメージセンサ１０４が単一の出力の場合について説明したが、イメージセンサ１０４が複数の出力端子を備えて、複数の信号を並列に出力するタイプのであっても、上記した実施例と同様に信号を処理して、より高速に画像処理を行うことができる。この場合、イメージセンサ１０４からは、複数の信号線が出て、この複数の信号線がそれぞれに対応する複数のＡ／Ｄ変換器１０５に接続され、この複数のＡ／Ｄ変換器１０５からの出力は、画像編集部１４に入力されて、上記に説明したような手順で処理がなされる。
【００２５】
次に、画像比較処理部１５−１、１５−２における処理を詳細に説明する。まず、ステージの移動に同期してメモリ１０７に連続して入力される検出画像信号、参照画像信号を読み出す。これら２チップの画像信号は、ステージの振動があったり、ステージ上にセットされたウェハが傾いていると、全く同じ箇所での信号とはならないため、位置ずれ検出部１０８では２つの画像間の位置ずれ量を算出する。位置ずれ量の算出はステージの進行方向に特定の長さを一処理単位とし，順次行う。図５の５１，５２，…は長さＤ（画素）を１処理単位とした場合の各処理領域である。以下，この単位の処理領域をユニットと記述する。
【００２６】
このように，ユニット５１とそれに対応する隣接チップのユニットで位置ずれ量を算出し，次にユニット５２とそれに対応する隣接チップのユニットで位置ずれ量を算出する，といったように入力される画像に対して順次ユニット単位で位置ずれ量を算出する。位置ずれ量の算出には画像間の正規化相互相関、画像間の濃淡差の総和、画像間の濃淡差の二乗和などを用いる各種手法があり、そのいずれでも構わない。そして、算出された位置ずれ量に基いて、ユニット単位で2枚の画像の位置合わせを行う。
【００２７】
ここで、ユニット単位で算出される位置ずれ量に対して、高精度な位置合わせを行うために、本発明では各ユニットで算出される位置ずれ量の信頼性を評価し（例えば、正規化相互相関により位置ずれ量を算出した場合には、相関係数の大小など）、信頼性の低い（例えば相関係数の小さいもの）ユニットでは、そのユニットで算出された位置ずれ量を使わずに（時間的に）前後の信頼性の高いユニットで算出された位置ずれ量から内挿、もしくは外挿により位置ずれ量を算出する。これにより、位置ずれ量を算出のためのパターン情報がユニット内に少ない場合でもステージの振動などに起因する画像の歪に追従した位置合わせを行うことが可能となる。
【００２８】
一方、前述のイメージセンサ１０４から複数の出力信号線が複数のＡ／Ｄ変換器１０５に接続され、複数のＡ／Ｄ変換器１０５からの出力が画像処理部１４に入力された場合、ユニット単位の位置ずれ量算出も並列で行い、位置合わせも並列に行う。このようにステージの進行方向と垂直な方向に分割されて並列処理が行われる単位を以下、チャンネルと記載する。ここで、ステージ振動や光学系の倍率変動などの歪みに追従して，チャンネル単位においても高精度な位置合わせを行うために、チャンネル毎に算出された複数の位置ずれ量から信頼性の高いもの（例えば相関係数の高いものなど）を抽出し、抽出された複数個の位置ずれ情報を集計，統計処理を施すなどの加工を実施して、信頼性の低いチャンネルの位置ずれ量を算出することもできる。
【００２９】
その一例としては、全チャンネルの中で最も信頼性の高いチャンネルの位置ずれ量を1個求め，信頼性の低いチャンネルの位置ずれ量とする。或いは，信頼性の高い複数個の位置ずれ情報を集計，統計処理を施すなど加工して全チャンネルに共通の位置ずれ量を一意に算出し、各チャンネルの位置ずれ量とする。或いは、複数個の信頼性の高いチャンネルの位置ずれ量から，内挿、もしくは外挿により信頼性の低いチャンネルの位置ずれ量を補間することもできる。内挿、外挿は線形補間で行ってもよいし、スプライン近似などの曲線近似で，振動等によるひずみを表現してもよい。これにより、チャンネル内に位置ずれ量を算出のためのパターン情報が少ない場合でもステージの振動などに起因する画像の歪に追従した位置合わせを行うことが可能となる。
【００３０】
次に位置合わせを行った2枚の画像について、明るさ補正部１０９で明るさのずれを合わせ込むための信号補正量を算出する。明るさのずれが生じる要因として、（１）被検査対象である半導体ウェハのチップ間の膜厚の微妙な違い、（２）イメージセンサ各画素の感度の違い、（３）ステージの速度むらによる蓄積光量の違い、（４）照明光量の変動などがある。このうち、（１）は半導体ウェハのパターンに依存してランダムに生じるのに対し、（２）（３）（４）は、検査装置に固有の特性として、検出した画像上で、線状、もしくは帯状に発生する。そこで、本発明では、まず、（２）（３）（４）のような帯状に発生する明るさの違いを特定の高い周期で合わせ込み、（１）のようなランダムに発生する明るさの違いをそれとは異なる周期（すなわち、異なる処理領域）で合わせ込む。
【００３１】
図８は線状もしくは、帯状に発生する明るさの違いを合わせ込む処理の流れを示している。まず位置合せを行った検出画像、参照画像に対し、ステージの進行方向に対して垂直な方向に生じる明るさのむら（行単位の明るさむら）を合わせ込むための補正量を算出する（図８の８１のステップ）。
【００３２】
以下に明るさの補正量の算出を最も高い周波数、すなわち１行毎に行う方法の例を示す。まず、図１０（ａ）に示すように対象行（Ｍ画素×１行）に対して、その行を含む近傍Ｎ行（Ｍ画素×Ｎ行）の値を用いて明るさを合わせ込むための補正量を算出する。補正量の算出方法の一例を（数１）のように統計量を算出する。
【００３３】
【数１】

【００３４】
ここで、Ｆ(i,j)、Ｇ(i,j)はそれぞれ、位置合せ後の検出画像、参照画像の位置（i,j）での明るさである。そして、（数２）のように補正量を算出し、
【００３５】
【数２】

【００３６】
対象行の補正を、参照画像に対して（数３）のように行う。
【００３７】
【数３】

【００３８】
同様にステージの進行方向に平行に生じる明るさのむら（列単位の明るさむら）を合わせ込むための補正量を算出する（図８の８２のステップ）。まず、図１０（ｂ）に示すように、対象列（１列×L画素）に対して、その列を含む近傍Ｎ列（Ｎ列×L画素）の値を用いて明るさを合わせ込むための補正量を算出し、対象列の補正を参照画像に対して（数４）のように行う。
【００３９】
【数４】

【００４０】
そして、図１０（ｃ）に示すように論理積をとり、各画素の線状、もしくは帯状に発生する明るさの補正量を算出する（図８の８３のステップ）。
【００４１】
If （F(i,j)-Gx（i,j））＜（F(i,j)-Gy（i,j））補正量=gain_x 、offset_x
Else 補正量＝gain_y 、offset_y
次に半導体ウェハのパターンに依存してランダムに生じる明るさの違いを合わせ込むための補正量を、線状の明るさの違いに対する補正量とは異なる周波数で、すなわち、異なる大きさの領域ごとに算出する。
【００４２】
図１０(ｃ)の最終の差画像に示すように、各画素の論理積をとることにより、ステージの進行方向に垂直、もしくは、水平に生じる帯状の明るさの違い（ノイズ）は低減されるが、ランダムに生じる明るさの違いは補正されずに残る。このため、本発明では次にこのように残されたランダムなノイズを対象とした明るさの合わせ込みを行う。その手順の一例を、図１７、図１８に示す。
【００４３】
まず、図１８に示すように帯状の明るさが合わせ込まれた検出画像、参照画像について、特定の領域内の対応する各画素の特徴量を演算し、１８（a）に示すように2次元以上の特徴空間を形成する（１７−１）。特徴量は各画素のコントラスト、明るさ、2次微分値、対応画素間の濃淡差、近傍画素を用いた分散値などその画素の特徴を示すものなら何でもよい。次に、特徴空間を複数のセグメントに分割し（１７−２）、セグメント毎に、そのセグメントに属する画素の統計量を用いて補正量を算出する（１７−３）。これは、検出画像、参照画像の領域内の各画素について、検出画像の明るさをＸ軸に、参照画像の明るさをＹ軸にとった領域内の画素による散布図１８（ｂ）を特徴量により１８（ｃ）、１８（ｄ）、・・・のように分解し、各散布図内で補正量を演算することと同等である。
【００４４】
図１９は図１８（ａ）の特徴空間をセグメント分割するための分割方法の一例を示している。本発明では、対象画像により自動でセグメント分割を行う。図１９（ａ）の上のグラフは明るさと濃淡差による特徴空間の例であり、下のグラフは各明るさ（輝度値）の頻度を示すヒストグラムであり、明るさ方向の分割しきい値を対象画像の明るさのヒストグラムから決定する例である。
【００４５】
図２０はその処理手順の一例である。まず、対象領域内の輝度値のヒストグラムを算出する（２０−１）。これは検出画像、もしくは参照画像から算出してもよいし、２枚の画像の平均値から算出してもよい。次に輝度ヒストグラムを平滑化し、小ピークなどを除去し（２０−２）、平滑化されたヒストグラムの微分値を算出する（２０−３）。次に明るさの小さい方から、微分値をみていき、値が正になる輝度値をStart、次に負になる輝度値をEndとする（２０−４）。そして、StartからEndの範囲内で微分値が最大となる輝度値を分割のためのしきい値とする（２０−５）。
【００４６】
これにより、図１９（ａ）に示すようにヒストグラムの谷の部分で分割が行われる。これは、対象領域内のパターンに応じてセグメント分割がなされることを示している。このように画像内のパターンに応じて分割することも可能であるが、図１９（ｂ）に示すようにユーザが設定した固定値で分割することも可能である。
【００４７】
セグメント分割により分解された各散布図の補正量は、図１８−３、１８−４に示すように散布図内で最小二乗近似により直線式を求め、その傾きとｙ切片を補正量とする。また、補正量は各セグメントに属する画素から前述の（式１）、（式２）のように求めてもよい。また、特徴空間を形成するための領域は最小１×１画素以上の任意に設定可能である。ただし、最高周波数である１×１画素で補正を行うと、欠陥も合わせ込んでしまうので、やや大きめの領域に設定するようにする。
【００４８】
図１１にその補正結果を示す。（ａ）は位置合せを行った後の差画像である。○で囲った部分に欠陥がある。（ｄ）は欠陥部を含む１Ｄ−１Ｄ’の位置合せ後の2枚の画像の輝度波形とそのときの差分値である。検出画像には欠陥があり、その部分は周囲に比べて明るくなっているが、参照画像は全体に明るく、欠陥部分の差分値は周囲に比べ、小さくなっている。これに対し、（ｂ）は高い周期で線状の明るさの違いを補正した後の差画像である。帯状の明るさのむらが補正されている。この結果、（ｅ）に示すように輝度値が合わせ込まれ、欠陥が顕在化される。しかし、繰り返しパターンに依存し、ランダムに生じる明るさの違いは補正できていない。
【００４９】
（ｃ）は線状のノイズの合わせ込みとは異なる領域（この例では（ｂ）の画像全域）の統計量より補正量を演算し、明るさの違いを補正した後の差画像である。このように、２つ以上の異なる処理領域で補正量を算出することにより、発生状況の異なる明るさの違いを補正し、強い明るさむらの中に埋没した微弱信号の欠陥を顕在化、検出することが可能となる。
本発明では、残ったランダムノイズに対し、さらに特徴の似た領域毎に明るさの合わせ込みを行うこともできる。例えば、図７の周辺回路部７２のように明るく虚報が発生しやすい領域とメモリマット部７１で一緒に特徴空間を形成し、補正量を算出すると、メモリマット部７１にある欠陥を補正してしまうことが起こり得る。そこで、メモリマット部７１と周辺回路部７２では、別々に特徴空間を形成する。また、メモリマット部同士、周辺回路部同士であっても、ノイズの発生しやすい領域と発生しにくい領域がある。このような場合にも別々に特徴空間を形成する。領域はCADデータやチップレイアウトデータ、チップ画像といったチップの設計情報から分けることもできるし、テスト検査結果から分けることもできる。また、１つの特徴空間を形成する領域は、離散的（連続していない）でも構わない。領域の分け方は後に詳細に説明する。
【００５０】
以上に説明したような、検査画像に対して多段階の明るさ補正を行うことの効果を、例えば、ＣＭＰ工程を経て、表面が光学的に透明で平坦な絶縁膜で覆われた半導体ウェハに形成されたパターンを検査する場合について説明する。ＣＭＰ加工後のウェハを検出部１３で撮像して得られた画像は、上記絶縁膜の厚さのウェハ面内でのばらつきやチップ内パターンの疎密により生じる反射光量の分布等の影響を受けて、ウェハの場所によって明るさがばらついた画像となる。この明るさのばらつきがある画像に対して、上記に説明したような方法で異なる周波数で多段階に明るさ補正を行うことにより、画像間の明るさのばらつきの影響を低減して欠陥を顕在化することができるので、欠陥の検出率を向上させることが可能になる。
【００５１】
このように、複数の処理単位（ユニット）で明るさの違いを合わせ込むための補正量を算出したあと、画像比較部１１０にて位置ずれ量、２つの異なる周期で算出された信号補正量を用いて、2枚の画像間の対応する位置での明るさの比較を行い、しきい値ＴＨより大きい部分を欠陥をして検出する。
【００５２】
この処理の流れをまとめると、図９に示すように、画像比較処理部１５においては、先ず、画像編集部１４から受けた画像信号を位置ずれ補正部１０８で検出画像と参照画像との間の位置ずれ量を算出し（１０８１）、この算出したずれ量に基いて検出画像と参照画像との位置ずれを補正する（１０８２）。次に、明るさ補正部１０９において、検出画像と参照画像との対応する線状・帯状の領域間の明るさむらの補正量を算出し（１０９１）、次に検出画像と参照画像との対応する領域間のランダムな明るさむらの補正量を前記した線状・帯状の領域よりも大きい領域ごとに算出する（１０９２）。
【００５３】
次に、画像比較部１１０において、位置ずれ補正部１０８において算出した検出画像と参照画像との間の位置ずれ量の情報と、明るさ補正部１０９において算出した線状・帯状の領域間の明るさむらの情報と、線状・帯状の領域よりも大きい領域ごとに算出したランダムな明るさむらの補正量の情報を用いて補正した検出画像と参照画像との差画像を、しきい値設定部１１１からのしきい値信号ＴＨと比較して、欠陥を検出する。
【００５４】
ここで、被検査対象となる半導体ウェハではチップの位置により、ノイズの大きい領域、虚報の生じ易い領域、また、欠陥があったとしてもそれによるダメージが小さくあえて検出しない領域などがある。例えば、図７のメモリマット部７１は小さな繰り返しパターン（セル）の集合であり、周辺回路部７２は基本的にランダムパターンの集合で、一般的にはメモリマット部７１はパターン密度が高く、明視野照明光学系で得られる画像は暗くなる。これに対し、周辺回路部７２はパターン密度が低く、得られる画像は明るくなる。そして、周辺回路部７２のように入力される画像信号が大きい（明るい）領域ではノイズが大きく、虚報を発生しやすいため、しきい値ＴＨを大きめに設定する必要がある。一方、メモリマット部は得られる画像信号が小さい（暗い）ため、しきい値ＴＨを下げて、高感度に検査を行う必要がある。
【００５５】
また、図４の４ａ、４ｂに示すようにチップ間の特定のパターン領域において、膜厚の違いにより局所的に明るさの違いが生じている場合、この部分で虚報が発生しやすいため、しきい値ＴＨを大きめに設定する必要がある。これに対し、全領域に唯一のしきい値ＴＨを用いて比較を行った場合、ノイズの大きい領域や虚報の生じ易い領域に合わせた大きめのしきい値を設定せざるを得ず、それ以外の領域での感度を落とすことになる。従って、全領域に渡って高感度に検査を行うための一手法として、本発明では領域に応じてしきい値を設定する手段をもつ。
【００５６】
図１２の１２−１はチップ内のある位置での虚報を出さないためのしきい値を示しており、領域により、異なるしきい値を設定する必要があることを意味している。更に半導体ウェハでは、ウェハの周辺になるほどチップ間の明るさの違いが大きくなる傾向にある。図１２の１２−２はウェハ内のある位置での虚報を出さないためのしきい値を示しており、チップの位置により、異なるしきい値を設定する必要があることを意味している。このように検査領域全面に渡って高感度検査を実現するために、図１及び図９のしきい値設定部１１１では、ウェハ内のチップの位置、及びチップ内の位置毎にしきい値を設定する。その設定手順の一例を、図１３に示す。
【００５７】
まず、ユーザは一般的な条件を設定し（１３−１）、試し検査を行う（１３−２）。このとき、チップ内のパターンに応じたしきい値のみを設定するのであれば１チップ分の領域を検査領域として設定し（図１４−１）、さらにウェハ内のチップの位置に応じたしきい値も設定するのであればウェハの全面、もしくは少なくともウェハの端から端までのチップを検査領域として設定する（図１４−２）。次に検出された欠陥候補について、ユーザが目視確認し、真の欠陥と、虚報に分類する（１３−３）。確認には高倍率カメラなど実検査時とは異なる撮像手段の像でもよいし、実検査に用いた像でもよい。このとき、自動欠陥分類（ADC：Auto Defect Classification）などを検査と平行して行い、その結果を用いてユーザが介在することなしに、自動で欠陥と虚報に分類することも可能である。そして、分類した結果をチップと合わせて表示し、チップ内のどこにどのような虚報が集中して発生している一目で判るように表示する（１３−４）。
【００５８】
複数のチップを検査領域として設定していた場合は、各チップでの検査結果を重ね合わせる。これを見ながらユーザは感度を下げたい、すなわち、しきい値を高くする領域、感度を上げた領域、すなわち、しきい値を低くする領域を設定する。このとき、図１５に示すようにCADデータやチップレイアウトデータ、チップ画像といったチップの設計情報と重ねて表示することも可能である。設計情報との重ね合わせにより、設定した領域が適切であるかどうかの確認や設定領域の変更がより容易になる。また、チップの設計情報から自動で領域を設定することもできる。
【００５９】
次に、設定した領域毎のしきい値を設定するための領域の特徴量を演算する（１３−６）。例えば、虚報の集中発生している領域での虚報の濃淡差値（検出画像と参照画像の明るさの差）
F(ｉ，ｊ)−G(ｉ，ｊ)
や、面積などや、虚報が発生している領域のパターン密度、明るさなど、虚報の発生する領域の特徴量などがそれである。また、複数のチップで試し検査を行った場合には虚報が集中するチップのウェハ内の座標や、ウェハ全体の中での虚報の発生形状なども演算する。そして、各領域の特徴量から各領域における虚報のでないしきい値を設定する（１３−７）。例えば、虚報が集中発生する領域では、虚報の濃淡差値よりしきい値を大きく設定すれば虚報の検出を避けることができる。
【００６０】
また、先に述べたようにパターン密度が高い領域や背景が暗い領域では虚報は発生しにくいのでしきい値は低めに設定し、一方、パターン密度が低い領域や背景が明るい領域では虚報が発生しやすいのでしきい値を高めに設定する。また、虚報の集中しているチップやウェハの中心から離れているチップではしきい値を高めに設定する。パターン密度や背景の明るさといった情報は画像から得ることができるので領域の分割は自動で行う。
【００６１】
図１６（ａ）に示すように、しきい値は基本的には虚報の濃淡差値から自動設定するが、あらかめじユーザが設定したものを参照してセットしても構わない。また、図１６（ｂ）に示すように濃淡差値と面積により、検出／非検出を判定するしきい値を演算することもできる。もちろん、領域の設定および、領域毎のしきい値の設定をユーザが手動で行うことも可能である。図１の１１１においてこのような領域の自動設定、並びに領域毎の自動しきい値設定を行い、これを用いて画像比較部１１０にて欠陥のみを検出する。
【００６２】
さらに、図１３の１３−７で決定したしきい値で検査を行い、再度、１３−３から１３−７を繰り返し、パラメータのチューニングを行うことも可能である。また、このとき、光学条件（焦点位置、光量、偏向条件などを変えながら１３−３から１３−７を繰り返し（１３−８）、光学条件のチューニングを行うこともできる。
【００６３】
以上に述べたように、本発明では2枚の画像を比較し、その差分値から欠陥を検出する検査において、画像比較処理を並列処理することにより、イメージセンサの取り込み速度と同等またはそれに近い検査速度を実現することができる。
【００６４】
例えば、イメージセンサの画像取り込み速度が最速１．６Gpps（pps：pixel per second）であったとすると、画像比較処理部１５の処理能力がその半分の０．８Gppsしかない場合でも、本発明のように２台並列の構成をとることにより、検査処理速度１．６Gppsを実現することが可能となる。更にイメージセンサの画像取り込み速度がそれ以上になった場合や、光学条件によりイメージセンサの画像蓄積時間が短くなった場合や、イメージセンサの一回に走査する走査幅が大きくなった場合など、画像取り込み速度がますます速くなった場合にも本構成をＮ台にすることにより、画像比較処理自体を高速化しなくても、対応することが可能となる。例えば、イメージセンサの画像取り込み速度が更に高速化して、最速６．４Gppsになった場合でも、処理能力が０．８Gppsの画像比較処理部１５を８台並列で構成することにより、６．４Gppsの画像処理速度で対応することが可能である。
【００６５】
また、チップ間の膜厚の違い、イメージセンサの各画素の感度の違い、ステージ速度むらによる蓄積光量の違い、照明変動など様々な要因により発生するチップ間の明るさの違い（色むら）を異なる複数の周波数で明るさを合わせ込む（即ち、異なる複数の領域毎に補正量を算出する）ことにより、強い明るさむらの中に埋没した微弱信号の欠陥を顕在化し、検出することが可能となる。
【００６６】
また、ウェハ内の座標、および、チップ内の座標により検査領域を複数の領域に分割し、分割した領域毎に自動でしきい値を設定することにより、各領域での検査感度を最適化し、全体として高感度検査を実現することができる。この場合、チップのCADデータやチップ画像といったチップの設計情報を虚報の発生状況や自動領域設定結果と重ねて表示することにより、設定領域の確認や修正を容易にする。また、ユーザによるマニュアル設定も可能である。
【００６７】
これまでに説明した本発明による画像比較処理部１５−１，１５−２の処理は、ＣＰＵによるソフト処理で実現するが、正規化相関演算や特徴空間の形成などコアとなる演算部分をLSIなどによるハード処理にすることも可能である。これにより、更なる高速化が実現できる。また、ＣＭＰなど平坦化プロセス後のパターンの膜厚の微妙な違いや、照明光の短波長化により比較ダイ間に大きな明るさの違いがあっても、本発明により、２０ｎｍ〜９０ｎｍ欠陥の検出が可能となる。
【００６８】
さらに、ＳｉＯ₂をはじめ、ＳｉＯＦ、ＢＳＧ，ＳｉＯＢ、多孔質シリア膜、などの無機絶縁膜や、メチル基含有ＳｉＯ₂、ＭＳＱ，ポリイミド系膜、パレリン系膜、テフロン（登録商標）系膜、アモルファスカーボン膜などの有機絶縁膜といったｌｏｗ k膜の検査において、屈折率分布の膜内ばらつきによる局所的な明るさの違いがあっても、本発明により、２０ｎｍ〜９０ｎｍ欠陥の検出が可能となる。
【００６９】
以上、本発明の一実施例を半導体ウェハを対象とした光学式外観検査装置における比較検査画像を例にとって説明したが、電子線式パターン検査における比較画像にも適用可能である。また、検査対象は半導体ウェハに限られるわけではなく、画像の比較により欠陥検出が行われているものであれば、例えばＴＦＴ基板、ホトマスク、プリント板などでも適用可能である。
【００７０】
【発明の効果】
以上に説明したごとく、本発明によれば、画像比較処理を並列慮理することにより、イメージセンサの画像取り込み速度、画像蓄積時間、走査幅などによってきまる処理速度に対応した検査速度を実現することができる。
【００７１】
また、チップ間の膜厚の違い、イメージセンサの各画素の感度の違い、ステージ速度むらによる蓄積光量の違い、照明変動など様々な要因により発生するチップ間の明るさの違い（色むら）等によって生じる比較する画像間の明るさの違いを、異なる複数の周波数で明るさを合わせ込むことにより、強い明るさむらの中に埋没した微弱信号の欠陥を顕在化し、検出することが可能となる。
【００７２】
また、ウェハ内座標やチップ内座標に応じてしきい値を設定できるようにしたことにより、各所で検査感度を自動で最適化することが可能になり、高感度検査を実現することができる。この場合、チップの設計情報としきい値設定領域を重ね合わせて表示することにより、しきい値設定領域の確認や修正などの感度の調整が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による検査装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】２つの画像比較処理部による並列処理の画像データの流れの一例を示すイメージ図である。
【図３】２つの画像比較処理部による並列処理の画像データの流れの別の一例を示すイメージ図である。
【図４】比較チップ間に明るさむらがあった時の検査対象画像と従来のしきい値設定方法の一例を示す図で、（ａ）は検査対象画像、（ｂ）は参照画像、（ｃ）は差画像、（ｄ）は位置１D−1D'での差分値の波形図である。
【図５】半導体ウェハの平面図で、画像比較処理単位の一例の拡大図を示す。
【図６】半導体ウェハの平面図で、チップの拡大図を示す。
【図７】チップの構造の一例を示す平面図である。
【図８】帯状に発生する明るさの違いを合わせ込む処理の流れを示すフロー図である。
【図９】画像比較処理部の処理の流れを示すフロー図である。
【図１０】帯状に発生する明るさの違いを合わせ込む処理を説明する図で、（ａ）は行方向に明るさを合わせ込む例、（ｂ）は列方向に明るさを合わせ込む例、（ｃ）は行方向と列方向との明るさを合わせ込む例を示す。
【図１１】明るさ補正部の処理結果の一例を示す図で、（ａ）は位置合せ後の差画像、（ｂ）は高い周期（線状または帯状の領域単位）で明るさの違いを補正した画像、（ｃ）は低い周期（広い領域単位）で明るさの違いを補正した画像、（ｄ）は（ａ）における１D−１D'の輝度波形図、（ｅ）は（ａ）の１D−１D'に対応する（ｃ）の輝度波形図である。
【図１２】半導体ウェハの平面図で、ウェハ内座標、チップ内座標により適性しきい値の一例を示す。
【図１３】ウェハ内座標、チップ内座標毎にしきい値を設定する処理の流れを説明するフロー図である。
【図１４】試し検査時の検査チップ設定の一例を示す半導体ウェハの平面図である。
【図１５】チップの設計データと処理結果の重ね合わせ表示の例を示す表示画面の正面図である。
【図１６】欠陥、虚報の特徴量からしきい値を設定する例を示す図で、（ａ）は欠陥及び虚報の濃淡差値と頻度との関係を示すグラフ、（ｂ）は欠陥及び虚報の面積と濃淡値差の関係を示すグラフである。
【図１７】ランダムに生じる明るさの違いを合わせ込む処理の流れを示すフロー図である。
【図１８】（ａ）は帯状の領域単位での明るさが合わせ込まれた参照画像と検出画像と差画像、（ｂ）は参照画像と検出画像とにより形成される特徴量空間を示すグラフ、（ｃ）検出画像の明るさをＸ軸に、参照画像の明るさをＹ軸にとったは特徴量空間における散布図、（ｄ）及び（ｅ）は散布図（ｃ）を特徴量ごとに分解した散布図である。
【図１９】特徴空間のセグメント分割方法の一例を示す図である。
【図２０】セグメント分割のための分割しきい値算出処理の手順を示すフロー図である。
【符号の説明】
１１…試料１２…ステージ１３…検出部１０１…光源１０２…照明光学系１０３…対物レンズ１０４…イメージセンサ１０５…ＡＤ変換部１４…画像編集部１０６…前処理部１０７…画像メモリ１５…画像比較処理部１０８…位置ずれ検出部１０９…明るさ補正部１１０…画像比較部１１１…しきい値設定部１６…全体制御部１１２…ユーザインターフェース部１１３…記憶装置１１４…メカニカルコントローラ７０…チップ７２…周辺回路部７１…メモリマット部４１…検出画像４２…参照画像

Claims

基板上に本来同一形状となるように形成された２つのパターンの対応する領域を撮像して得た参照画像と検査画像とを用いて欠陥を検出する方法であって、前記撮像して得た参照画像と検査画像とについて対応する第１の単位領域ごとの明るさの違いの補正により前記参照画像と検査画像とに帯状に発生する明るさの違いを補正し、該第１の単位領域よりも大きい第２の単位領域ごとの明るさの違いの補正により前記参照画像と検査画像とにランダムに発生する明るさの違いを補正し、該第１の単位領域ごとの明るさの補正と第２の単位領域ごとの明るさの補正とを行った参照画像と検査画像とを用いて欠陥を検出することを特徴とするパターン検査方法。
基板上に多数形成されたチップの本来同一形状となるように形成された２つのパターンの対応する領域を撮像して得た参照画像と検査画像とを用いて欠陥を検出する方法であって、前記撮像して得た参照画像と検査画像との明るさの違いを線状の領域単位で補正した後に該線状の領域よりも広い領域について補正し、該多段階の明るさ補正を行った画像同士を比較して両画像間の差画像を求め、該差画像を前記チップの基板上の位置と前記チップ内の画像の領域に応じて設定したしきい値と比較して欠陥を検出することを特徴とするパターン検査方法。
前記撮像して得た参照画像と検査画像との間の位置ずれを補正し、該位置ずれを補正した参照画像と検査画像との対応する部分の間の明るさの違いを前記線状の領域単位で補正した後に該線状の領域よりも広い領域について補正することを特徴とする請求項２記載のパターン検査方法。
前記画像の領域に応じたしきい値は、前記画像の部分的な明るさの違いに対応したしきい値であることを特徴とする請求項２記載のパターン検査方法。
基板上に本来同一形状となるように形成された２つのパターンの対応する領域を撮像する撮像手段と該撮像手段で撮像して得た参照画像と検査画像とを用いて欠陥を検出する画像処理手段とを備えた装置であって、前記画像処理手段は、前記撮像して得た参照画像と検査画像とについて対応する第１の単位領域ごとの明るさの違いの補正により前記参照画像と検査画像とに帯状に発生する明るさの違いを補正し該第１の単位領域よりも大きい第２の単位領域ごとの明るさの違いの補正により前記参照画像と検査画像とにランダムに発生する明るさの違いを補正するとを行う明るさ補正部と、該明るさ補正部で前記第１の単位領域ごとの明るさの補正と第２の単位領域ごとの明るさの補正とを行った参照画像と検査画像とを用いて欠陥を検出する欠陥検出部とを備えたことを特徴とするパターン検査装置。
基板上に多数形成されたチップの本来同一形状となるように形成された２つのパターンの対応する領域を撮像する撮像手段と該撮像手段で撮像して得た参照画像と検査画像とを用いて欠陥を検出する欠陥検出手段とを備えた装置であって、該欠陥検出手段は、前記撮像手段で撮像して得た参照画像と検査画像との明るさの違いを線状の領域単位で補正した後に該線状の領域よりも広い領域について補正する明るさ補正部と、該明るさ補正部で多段階の明るさ補正を行った画像同士を比較して両画像間の差画像を求める差画像生成部と、該差画像生成部で求めた差画像を前記チップの基板上の位置と前記チップ内の画像の領域に応じて設定したしきい値と比較して欠陥を検出する欠陥検出部とを備えたことを特徴とするパターン検査装置。
前記検査手段は、前記撮像手段で撮像して得た参照画像と検査画像との間の位置ずれを補正する位置ずれ補正部を更に備え、前記明るさ補正部において前記位置ずれ補正部で位置ずれを補正した参照画像と検査画像との対応する部分の間の明るさの違いを前記線状の領域単位で補正した後に該線状の領域よりも広い領域について補正することを特徴とする請求項６記載のパターン検査装置。
前記欠陥検出部は、前記画像の領域に応じたしきい値として、前記画像の部分的な明るさの違いに対応したしきい値を用いることを特徴とする請求項６記載のパターン検査装置。