JP5204172B2 - 欠陥検査方法及び欠陥検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスの製造におけるウェハやマスクなどのパターンの欠陥検査に
利用して好適な欠陥検査方法及び装置に関し、特に、検出画像と参照画像を比較して欠陥
を検査する欠陥検査方法及び装置に関する。

半導体デバイスの主要な製造工程は、基板工程と配線工程とに大別される。基板工程では、アイソレーション形成、ウェル形成、ゲート絶縁膜形成、ゲート電極形成、ソース／ドレイン形成、キャパシタ構造形成、層間絶縁膜形成、及び平坦化を行う。配線工程では、多層配線のためにコンタクトプラグ形成、層間絶縁膜形成、平坦化、メタル電極配線形成を反復し、最後にパッシベーション膜形成を行う。製造工程の要所には、検査工程が設けられ、処理途中のウェハを抜き取り、パターン欠陥を検査する。ここで、パターン欠陥とは、パターン形状の異常（ショート、断線等）、表面の異物、エッチング残り、スクラッチなどの総称である。パターン欠陥検査の目的は、第一に製造工程の異常を早期に探知すること、第二に不良発生工程とその原因を特定することにあり、デバイスの微細化に伴い高い検出感度が要求されている。

さて、１枚のウェハには同一のパターンを有する数百個のデバイス（チップとも呼ぶ）が作製される。また、デバイスのメモリ部には、繰り返しパターンを有する多数のセルが形成される。そこで、パターン欠陥検査では、隣接するチップ間または隣接するセル間でパターン画像を比較する方式が用いられている。

パターン欠陥検査として、ウェハのパターンを光学的に撮像する光学的検査が用いられる。光学的検査は、スループットが比較的高く、量産ラインで主流となっている。

光学的検査では、波長帯域、偏光状態、照明光源の形状とコヒーレンス、空間周波数フィルタの特性といった複数の撮像条件が存在する。これらの撮像条件は、画像のコントラストや明るさに大きく影響するので、高い検出感度を得るには、最適な条件を設定する必要がある。例えば、複数の撮像条件を自動的に変えながらテスト検査を行い、一連の画像を蓄積する。そして、各条件について、欠陥の検出情報（画像、コントラスト等）を一覧表示する。このテスト検査結果を基に、ユーザは最適条件を選択することができる。このような方法の例は、例えば、特許文献１に記載されている。

一方、パターン撮像後の欠陥判定においては、検出画像と参照画像との差分信号を、予め設定した閾値と比較する。差分信号が閾値より大きい場合には、致命欠陥であると判定し、差分信号が閾値より小さい場合には、擬似欠陥又は非致命欠陥と判定する。

そこで、致命欠陥の検出率は高く、擬似欠陥や非致命欠陥の検出率は低いように、閾値を設定する必要がある。ここで、致命欠陥とはデバイスの不良をもたらす欠陥、非致命欠陥はデバイスとして許容できる欠陥、擬似欠陥は様々な原因によるノイズである。例えば、テスト検査を行い、差分信号のレベルに対する検出個数の頻度分布を作成する。次に、頻度分布の近似曲線を求め、頻度の近似値が０となる差分信号のレベルを最適閾値とする。これにより、正常なパターンは検出されず、欠陥のみを検出することができる。このような方法の例は、例えば、特許文献２に記載されている。

特開２００２−３０３５８６号公報 特開平５−４７８８６号公報

上述の従来技術では、テスト検査の結果に基づいて、撮像条件と閾値を決定する。しかしながら、実際には致命欠陥は、テスト検査で検出された欠陥とは種類、形状、サイズが異なる可能性がある。そのため、特許文献１の技術では、ユーザが決定した撮像条件が、致命欠陥を検出するのに最適とは限らないという問題がある。また、特許文献２の技術では、欠陥の致命性について何ら考慮していない。そのため、非致命欠陥の誤検出が多く、検査データの解析や欠陥レビュー・分類に支障をきたすことがあった。

本発明の目的は、高感度の欠陥検出が可能となるように最適な撮像条件と閾値を簡単に決定することができる欠陥検査方法及び欠陥検査装置を提供することにある。

本発明によると、先ず、複数の撮像条件に基づいて、欠陥を含むパターンのシミュレーション画像と欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像を生成し、次に、複数の撮像条件毎に両者の差分信号を計算し、最後に、複数の撮像条件毎に差分信号を表示装置に表示する。

本発明によると、入力した撮像条件に従って、複数の欠陥の各々に対して、欠陥を含むパターンのシミュレーション画像を生成し、次に、欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像を生成する。複数の欠陥を含むパターンのシミュレーション画像の各々と欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像の差分信号を計算し、複数の欠陥毎に差分信号をグラフによって表示する。

本発明によれば、高感度の欠陥検出が可能となるように最適な撮像条件と閾値を簡単に決定することができる。

本発明による光学式パターン検査装置の概略構成を示す図である。 本発明による光学的パターン検査方法における撮像条件の決定方法のフローを示す図である。 欠陥を含むパターンのシミュレーション画像の例を示す図である。 欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像の例を示す図である。 シミュレーション画像の差分信号の例を示す図である。 欠陥と差分信号との関係の例を示す図である。

本発明の一実施形態として、半導体ウェハのパターンを対象とする光学式検査装置について説明する。図１は、本発明による光学式検査装置の概略構成を示す。本例の光学式検査装置は、ウェハ１を搭載するステージ２、光学系３、イメージセンサ４、ＡＤ変換器５、画像記憶部６、画像処理部７、制御部８、ユーザインターフェース部９、及び画像シミュレーション部１０を有する。光学系３は、光源３０、波長選択フィルタ３１、コンデンサレンズ３２、偏光ビームスプリッタ３３、偏光制御部３４及び対物レンズ３５を有する。

ユーザインターフェース部９は、キーボード、マウス等の入力手段とディスプレイ装置等の表示手段を有する。

光源３０からの光は、波長選択フィルタ３１を透過し、コンデンサレンズ３２で集光される。波長選択フィルタ３１を適宜選択することにより、ウェハ１を構成する材料の反射率を考慮して、所望の波長帯域を得ることができる。また、コンデンサレンズ３２の開口絞り面には、アパーチャ（図示しない）が設けられており、アパーチャを適宜選択することにより、照明光源の形状を円形や輪帯等に設定し、又は、照明のコヒーレンスを制御することができる。

コンデンサレンズ３２からの光は、次に偏光ビームスプリッタ３３で反射され、直線偏光となり、偏光制御部３４を透過して楕円偏光になる。特開２０００−１５５０９９号公報に記載されているように、この偏光制御部３４は１／２波長板と１／4波長板とを有し、各波長板の方向を調整することにより、楕円の長軸方向と楕円率を制御することができる。さらに、偏光制御部３４からの光は、対物レンズ３５を介して、ウェハ１に入射する。ウェハ１で反射し回折された光は、再び対物レンズ３５と偏光制御部３４を透過し、偏光ビームスプリッタ３３を透過して、イメージセンサ４に向かう。対物レンズ３５の射出瞳面には、空間周波数フィルタ（図示しない）が挿入可能であり、回折像の強度分布を制御することができる。

イメージセンサ４による検出画像は、Ａ／Ｄ変換器５によりデジタル信号に変換され、画像記憶部６に記録される。一方、画像記憶部６には、検出画像の領域と隣接し、且つ、同一パターンを有する領域で得られた参照画像が記録されている。検出画像と参照画像は画像処理部７に送信され、必要な補正を行った後、両者の差分信号が算出される。この差分信号を予めユーザが設定した閾値と比較し、欠陥を検出する。例えば、閾値より小さい欠陥を非致命欠陥又は擬似欠陥であると判定し、閾値より大きい欠陥を致命欠陥であると判定する。閾値を求める方法は以下に説明する。また、画像シミュレーション部１０における処理は、以下に詳細に説明する。

次に、図２を参照して欠陥が致命欠陥であるか否かを正確に判定するための最適な撮像条件の決定方法を説明する。先ず、ステップＳ１にて、ユーザは、ユーザインターフェース部９を介して、ウェハの情報（材料、膜厚、パターン形状等）、予想される致命欠陥の情報（位置、種類、形状、サイズ等）、複数の撮像条件を入力する。ここで、撮像条件は、波長帯域、照明光源の形状とコヒーレンス、偏光制御部の特性、空間周波数フィルタの特性などである。

ステップＳ２にて、画像シミュレーション部１０は、入力データを用いて、数値計算を行い、撮像条件毎にシミュレーション画像を生成する。具体的な計算方法は、次のとおりである。まず、欠陥を含むウェハの構造及び屈折率、照明光の波長、入射角、偏光状態等を入力データとし、マクスウェル方程式を例えば時間領域差分法で解き、ウェハ表面付近の近接電場を求める。次に、この近接電場を入力データとし、対物レンズの開口数と倍率、偏光制御部の特性、空間周波数フィルタの特性などを考慮した結像計算を行い、イメージセンサ上の光強度を求める。そして、この光強度をイメージセンサの画素毎に積分し、欠陥を含むパターンのシミュレーション画像（検出画像）を生成し、出力する。同様にして、欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像（参照画像）も生成し、出力する。入力データを用いてシミュレーション画像を生成する方法は既知であり、ここでは、これ以上詳細には説明しない。

ステップＳ３にて、制御部８は、撮像条件毎に、欠陥を含むパターンのシミュレーション画像（検出画像）と欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像（参照画像）の差分信号を計算する。

ステップＳ４にて、ユーザインターフェース部９は、撮像条件と欠陥の差分信号を一覧表示する。ステップＳ５にて、ユーザは、表示された撮像条件とシミュレーション画像の差信号分の関係を見ながら、予想される致命欠陥に対して、最適な撮像条件を選択することができる。

次に、図３、図４及び図５を参照して最適な撮像条件及び閾値を決定する方法の例を説明する。ここでは、ウェハに形成されたパターンがラインアンドスペースパターンであると仮定する。図３は、３種類の撮像条件Ａ、Ｂ、Ｃに基づいて計算された欠陥を含むパターンのシミュレーション画像（検出画像）を示す。縦軸は画素信号の強度、横軸は画素の座標である。ここで、３種類の撮像条件Ａ、Ｂ、Ｃは、楕円偏光の長軸方向に対応する。欠陥は、中央のライン（横軸の座標値が略１５０の位置）に配置してある。中央のラインの強度が最も減少するのは、撮像条件Ｂである。

図４は、３種類の撮像条件Ａ、Ｂ、Ｃに基づいて計算された欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像（参照画像）である。縦軸は画素信号の強度、横軸は画素の座標である。撮像条件がＣ、Ａ、Ｂの順に、コントラストが高くなる。

図５は、３種類の撮像条件Ａ、Ｂ、Ｃに対して、図３の欠陥を含むパターンのシミュレーション画像と図４の欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像の差分信号を示す。尚、ここでは、シミュレーション画像の差分信号は、参照画像の強度の最大値によって正規化されている。図５の縦軸は、正規化された差分信号の強度、横軸は画素の座標である。ユーザは、３つシミュレーション画像の差分信号を比較し、差分信号が最も大きい撮像条件Ｂを選択すればよい。それにより、高感度の欠陥検出が可能となる。

図６は、所定の撮像条件に基づいて得られた欠陥と差分信号との関係を示す。ここでは、ユーザが、図５の表示結果から、撮像条件Ｂを選択し、それに基づいて、５つの致命欠陥ａｂｃｄｅについて差分信号を求めた場合を示す。先ず、撮像条件Ｂに従って、５つの欠陥の各々に対して、欠陥を含むパターンのシミュレーション画像を生成し、次に、撮像条件Ｂに従って、欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像を生成する。５つの欠陥を含むパターンのシミュレーション画像の各々と欠陥を含まないパターンのシミュレーション画像の差分信号を求め、それを正規化する。欠陥毎に差分信号を棒グラフで表すと、図６のグラフができる。

ユーザは、図６のグラフから、差分信号が最小となる致命欠陥はｃであることが判る。従って、欠陥ｃの差分信号の値、又は、それより僅かに小さい値を、閾値Ｘとして設定すればよい。こうして設定した閾値Ｘを用いて、実際に光学式検査装置によって検出した欠陥を弁別する。こうして本例では、致命欠陥を確実に検出すると共に、非致命欠陥の誤検出を低減することができる。

なお、ここでは、半導体ウェハを対象として、光によるパターン検査について説明したが、本発明は電子ビームを用いるパターン検査にも適用できる。また、本発明は半導体リソグラフィ工程のマスクや液晶デバイス等のパターン検査にも適用できる。

以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解されよう。

１…ウェハ、２…ステージ、３…光学系、４…イメージセンサ、５…Ａ／Ｄ変換器、６…
画像記憶部、７…画像処理部、８…制御部、９…ユーザインターフェース部、１０…画像
シミュレーション部、３０…光源、３１…波長選択フィルタ、３２…コンデンサレンズ、
３３…偏光ビームスプリッタ、３４…偏光制御部、３５…対物レンズ

Claims (6)

1. 検出画像と参照画像との差分信号を閾値と比較して対象パターンに生じた欠陥を検出する欠陥検査方法において、
   位置、種類、形状、及び寸法を使用して入力された、少なくとも一の予想される欠陥を含む対象パターンに係り、複数の撮像条件それぞれに基づいた欠陥を含む複数のシミュレーション検出画像を生成する第１のシミュレーション検出画像生成ステップ、
   欠陥を含まない対象パターンに係り、当該複数の撮像条件それぞれに基づいた欠陥を含まない複数のシミュレーション参照画像を生成するシミュレーション参照画像生成ステップ、
   当該複数の撮像条件毎に、前記第１のシミュレーション検出画像生成ステップにより生成した欠陥を含むシミュレーション検出画像と前記シミュレーション参照画像生成ステップにより生成した欠陥を含まないシミュレーション参照画像との差分信号を計算する第１の差分信号計算ステップ、
   前記第１の差分信号計算ステップにより計算した当該複数の撮像条件それぞれの差分信号を表示する第１の表示ステップ、
   前記第１の表示ステップによる表示を基に、当該複数の撮像条件の中から差分信号が最も大きい一の撮像条件を選択する撮像条件選択ステップ、
   予想される複数の欠陥それぞれを含む各対象パターンに係り、当該選択した一の撮像条件に基づいたシミュレーション検出画像をそれぞれ生成する第２のシミュレーション検出画像生成ステップ、
   当該予想される複数の欠陥毎に、前記第２のシミュレーション検出画像生成ステップにより生成したシミュレーション検出画像と前記シミュレーション参照画像生成ステップにより生成した当該選択した一の撮像条件のシミュレーション参照画像との差分信号を計算する第２の差分信号計算ステップ、
   前記第２の差分信号計算ステップにより計算した当該予想される複数の欠陥それぞれの差分信号を表示する第２の表示ステップ、
   前記第２の表示ステップにて表示された当該予想される複数の欠陥それぞれの差分信号のうち、最小の差分信号の値、又は前記最小の差分信号の値よりわずかに小さい値を致命欠陥か否かを判定するための閾値として選択する閾値選択ステップ
   を含む欠陥検査方法。
2. 前記第２の表示ステップは、前記予想される複数の欠陥それぞれの差分信号をグラフによって表示する
   ことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
3. 前記第１のシミュレーション検出画像生成ステップは、複数の撮像条件として複数の照明光源の形状とコヒーレンスそれぞれに基づいた欠陥を含む複数のシミュレーション検出画像を生成する
   ことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
4. 検出画像と参照画像との差分信号を致命欠陥か否かを判定するための閾値と比較して対象パターンに生じた欠陥を検出する欠陥検査装置において、
   複数の撮像条件の中から一の撮像条件を指定するとともに、前記閾値を設定する入力部と、
   位置、種類、形状、及び寸法を使用して入力された、少なくとも一の予想される欠陥を含む対象パターンに係り、撮像条件に応じた欠陥を含むシミュレーション検出画像を生成するとともに、欠陥を含まない対象パターンに係り、撮像条件に応じた欠陥を含まないシミュレーション検出画像を生成する第１の画像シミュレーション部と、
   前記第１の画像シミュレーション部により生成した欠陥を含むシミュレーション検出画像と欠陥を含まないシミュレーション参照画像との差分信号を計算する第１の演算部と、
   予想される複数の欠陥それぞれを含む各対象パターンに係り、前記入力部により指定された一の撮像条件に基づいたシミュレーション検出画像をそれぞれ生成する第２の画像シミュレーション部と、
   当該予想される複数の欠陥毎に、前記第２の画像シミュレーション部によって生成されたシミュレーション検出画像と前記第１の画像シミュレーション部によって生成された前記入力部により指定された一の撮像条件のシミュレーション参照画像との差分信号を計算する第２の演算部と、
   前記第１の演算部及び前記第２の演算部によりそれぞれ計算された差分信号を表示する表示部と
   を有し、
   前記表示部は、
   前記入力部による一の撮像条件の指定のために前記第１の演算部によって演算された撮像条件毎の差分信号を表示するとともに、前記入力部による閾値の設定のために前記第２の演算部によって演算された前記予想される複数の欠陥毎の差分信号を表示し、
   前記入力部は、
   前記第１の演算部によって演算された撮像条件毎の差分信号のうち、差分信号が最も大きい撮像条件を前記一の撮像条件として指定可能であり、
   当該指定された一の撮像条件によって前記第２の演算部によって演算された欠陥毎の差分信号のうち、最小の差分信号の値、又は前記最小の差分信号の値よりわずかに小さい値を致命欠陥か否かを判定するための閾値として選択可能である
   ことを特徴とする欠陥検査装置。
5. 前記表示部は、欠陥毎の差分信号をグラフによって表示する
   ことを特徴とする請求項４記載の欠陥検査装置。
6. 前記第１の画像シミュレーション部は、複数の撮像条件として複数の照明光源の形状とコヒーレンスそれぞれに応じた欠陥を含む複数のシミュレーション検出画像を生成する
   ことを特徴とする請求項４記載の欠陥検査装置。