JP6259634B2 - 検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイス製造におけるウェーハなどの、パターンが形成された試料の欠陥検査装置に係り、特に光学式欠陥検査装置における画像処理に関する。

半導体デバイスの製造プロセスでは、スパッタや化学気相成長による成膜、化学機械研磨による平坦化、リソグラフィとエッチングによるパターニングを多数繰り返す。半導体デバイスの歩留まりを確保するために、製造プロセスの途中でウェーハを抜き取り、欠陥検査を行う。欠陥とは、ウェハ表面の異物、スクラッチやパターン欠陥（ショート、オープン等）である。欠陥検査の目的は、製造装置の状態を管理すること、及び不良が発生した工程とその原因を特定することにある。

ウェーハに光を照射して画像を取得する光学式欠陥検査装置は、電子線など他方式の欠陥検査装置に比べてスループットが高いので、インライン検査に多く使用されている。半導体デバイスの微細化に伴い、検出すべき欠陥サイズが小さくなっており、検出感度の向上が要求されている。

ウェーハには、同一のパターンを有する数百のデバイス（チップと呼ぶ）が、一定の周期で形成される。また、デバイスのメモリ部などでは、同一のパターンを有する多数のセルが、短い周期で形成される。光学式欠陥検査装置では、チップ間またはセル間で画像を比較して、欠陥を検出する方法が使用されている。

具体的な欠陥検出方法は、例えば特開２００７−３３０７３号公報（特許文献１）に開示されている。チップ比較では、互いに隣接するチップの２つの画像（検査画像と参照画像）を位置合わせした後、両者の差分をとる。セル比較では、繰返し周期の整数倍離れたセルの２つの画像を位置合わせした後、両者の差分をとる。得られた差画像において、画素値が閾値より大きい位置を欠陥と判定する。ここで、閾値は、実欠陥を検出し、画素値のばらつき（雑音）に起因する擬欠陥をできるだけ検出しないように、設定する。したがって、検出感度を向上するには、差画像の信号対雑音比を高めることが重要である。

また、特開２０１１−８４８２号公報（特許文献２）に、画像比較による欠陥検査装置において、差画像の画素値が正の場合と負の場合があることが開示されている。

なお後述する図９の構造については、非特許文献１に記載されている。

特開２００７−３３０７３号公報 特開２０１１−８４８２号公報

Mark Bohr, Kaizad Mistry, " Intel’s Revolutionary22nm Transistor Technology" p.8, [ on line], May 2011, [retrieved on 2013-24-09], Retrieved from the internet <URL:http://www.intel.com/content/www/us/en/silicon-innovations/revolutionary-22nm-transistor-technology-presentation.html>.

特許文献１の欠陥検出方法は、差画像において、画素値が閾値より大きい位置を欠陥と判定するものである。つまり、差画像の欠陥位置あるいは欠陥位置の近傍で、画素値が正であることが暗黙の前提となっている。

また、特許文献２の欠陥検出方法は、差画像において、正の画素値が正の閾値より大きい位置を明欠陥と判定し、負の画素値が負の閾値より小さい位置を暗欠陥と判定するものである。ここで、明欠陥と暗欠陥とは互いに異なる種類であることが暗黙の前提となっている。

ところで、ウェーハのパターンは多種多様である。微細化が進んだトランジスタのゲート工程では、図９（ａ）のようなパターンが形成される（非特許文献１）。このパターンは、リソグラフィ技術の解像限界を踏まえて、２回に分けて形成される。すなわち、図９（ｂ）のように一方向のラインパターンを形成後、図９（ｃ）のように前記方向に垂直方向のラインパターンを形成する。検査対象のパターン（ｂ）（ｃ）は、複数のラインパターンが集まり、ブロック状になっているのが特徴である。
このようなブロック状のパターンにおいて、差画像の欠陥位置あるいは欠陥位置の近傍で、正の画素値と負の画素値が混在する場合がある。この現象は、ウェーハ上の所定のブロックのサイズが実質的に結像光学系の光学解像度以下である場合に発生することが多いことを本発明では見出した。

この場合、従来の欠陥検出方法では正の画素値だけまたは負の画素値だけを閾値と比較するので、欠陥の信号を十分に利用できない。つまり、従来技術では差画像の信号対雑音比が低い点については配慮がなされていない。より具体的には、ウェーハ上のブロックのサイズが結像光学系の光学解像度以下である場合、信号対雑音比には改善の余地があることに対して従来技術は十分な配慮をしていないということである。

本発明の目的は、差画像の欠陥位置あるいは欠陥位置の近傍で、正の画素値と負の画素値が混在する場合に、信号対雑音比の高い欠陥検出方法を備えた欠陥検査装置を提供することにある。

本発明は、所定のブロックが形成された試料へ光を供給する照明光学系と、前記試料からの光を検出する結像光学系と、処理部と、を有し、前記処理部は、前記結像光学系による画像から第１の差画像を得て、前記第１の差画像に対して、前記ブロックのサイズが前記結像光学系の光学解像度以下である場合の為の第１の欠陥判定を行うことを１つの特徴とする。

より具体的には、本発明は前記第１の欠陥判定は、前記第１の差画像に対して所定の行列である所定の部分領域を設定し、前記第１の差画像を部分領域で走査し、第２の差画像を出力するフィルタ処理、及び前記第２の差画像に対する第１の閾値を使用した第１の閾値処理を含むことを１つの特徴とする。

本発明によれば高感度な欠陥検出が可能となる。例えば、本発明は差画像の欠陥位置、又は欠陥位置の近傍で、正の画素値と負の画素値が混在する場合、欠陥信号を強調するので、信号対雑音比の高い欠陥検出が可能となるということである。

本発明に係る欠陥検査装置の一実施形態を示す図である。 本発明に係るフィルタ処理のフローを示す図である。 検査対象のパターンの例を示す図である。 第１の差画像をグレイスケールで示す図である。 第１の差画像の数値データを示す図である。 第２の差画像の数値データを示す図である。 第２の差画像をグレイスケールで示す図である。 閾値設定のユーザインターフェース画面を示す図である。 トランジスタのゲート工程におけるパターンの例を示す図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明による欠陥検査装置の概略構成を示す。検査対象は、パターンが形成された複数のチップを有する半導体ウェーハ（以降、ウェーハ１と称する）である。

欠陥検査装置は大きく分けて、画像取得部２と画像処理部３とから構成される。画像取得部２は、ステージ４、光源５、照明光学系６、結像光学系７、及び画像センサ８とを有している。

ステージ４は、ウェーハ１を搭載して、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動及びθ方向（Ｚ軸回り）に回転する。ここで、Ｘ方向とＹ方向はウェーハの面内方向、Ｚ方向はウェーハの法線方向である。

光源５は、レーザのようなコヒーレント光源や放電ランプのようなインコヒーレント光源などが使用される。波長領域は、可視光、紫外光、遠紫外光、真空紫外光などである。

照明光学系６は、光源５から発した光を所定の波長、偏光、パワー、及びビームサイズなどに調整し、ウェーハ１に入射させる。ウェーハ１上に形成される照明領域は実質的な線や点である場合がある。

ウェーハ１からの散乱光は、暗視野型の結像光学系７により集光される。ここで、ウェーハからの正反射光は、結像光学系７の開口外に出射する。結像光学系７は、レンズから成る屈折型、ミラーから成る反射型、ミラーとレンズを組み合せた反射・屈折型、及びフレネルゾーンプレートなどの回折型が使用される。結像光学系７のフーリエ面にはウェーハ１からの不要な光を遮断するための空間フィルタが配置される場合もある。

ウェーハ１の暗視野像は、画像センサ８上に拡大されて結像する。画像センサ８は、ＣＣＤセンサなどのエリアセンサやＴＤＩ（Time Delay Integration）センサなどのラインセンサが使用される。

画像センサ８により撮像された検査画像は、Ａ／Ｄ変換器（図示しない）によりデジタル信号に変換される。以上の動作と並行して、ステージをＸ方向とＹ方向に走査する。このようにして、検査対象のチップの画像が逐次、画像処理部３に伝送される。ステージ４をさらに走査することにより、ウェーハ１上の所定のチップの画像が逐次、画像処理部３に伝送される。

画像処理部３は、画像入力部９、画像比較部１０、フィルタ処理部１１、第１の閾値処理部１２ｂ、第２の閾値処理部１２ａ、及び欠陥検出部１３とを有している。

画像入力部９は、検査対象のチップの画像と、異なるチップで取得した同等のパターンの参照画像を読み込む。画像比較部１０は、検査画像と参照画像に対して、位置合わせを行った後、両者の差分（第１の差画像と呼ぶ）を出力する。

一方、フィルタ処理部１１は、第１の差画像を所定の部分領域ごとにフィルタ処理して、第２の差画像を出力する。フィルタ処理の詳細は後述する。

第１の閾値処理部１２bは、第２の差画像の画素値を予め設定した第１の閾値と比較し、画素値が閾値より大きいならば欠陥と判定する。ここで通常、第１の閾値は後述の第２の閾値に比べて大きく設定する。その理由は、第２の差画像の背景ノイズが第１の差画像の背景ノイズよりも大きくなる場合があるからである。

第２の閾値処理部１２aは、第１の差画像の画素値を予め設定した第２の閾値と比較し、画素値が閾値より大きいならば欠陥と判定する。なお、画素値が負の場合、画素値が閾値（負）より小さいならば欠陥と判定する。

欠陥検出部１３は、第１の閾値処理部の判定結果と第２の閾値処理部の判定結果の論理和（orと表現することもできる）を取り、少なくとも一つの判定結果が欠陥の場合、当該検査画像の欠陥として出力する。

このようにして、ウェーハ上の所定のチップについて検査を行った後、ユーザインターフェース部（図示しない）にウェーハ面内の欠陥マップなどを出力する。

次にフィルタ処理部１１が行う第１の差画像に対するフィルタ処理の詳細について、図２を用いて説明する。差画像は行列形式の数値データであり、上記フィルタ処理はいわゆる近傍処理に該当する。

まず、ステップ２０１でフィルタ処理部１１は第１の差画像において所定の部分領域を設定し、第１の差画像を部分領域で走査する。

部分領域は、所定の行列であり、例えば３×３の行列である。なお、差画像の境界付近で部分領域の画素値が存在しない場合、当該画素に０を埋める。つまり、フィルタ処理部１１は、第１の差画像よりも外側に部分領域の一部が有る場合、その一部は無効として取り扱うということである。

また、以下の説明で部分領域の中心位置については、部分領域の行方向や列方向の画素数が偶数の場合、画素数を２で除して、切り上げまたは切り捨てのいずれかでインデックスを決めるものとする。

次に、ステップ２０２において、フィルタ処理部１１は、部分領域において、正の画素値が存在しかつ負の画素値が存在するかを判定する。

上記判定が真（YES）の場合、フローはステップ２０３へ進み、フィルタ処理部１１は正の画素値の最大値ＭＡＸと負の画素値の最小値ＭＩＮとの差分値ＭＡＸ−ＭＩＮを出力値とする。

一方、上記判定が偽（NO）の場合、フローはステップ２０５へ進み、上記部分領域の中心位置の画素値ＣＥＮを出力値とする。
そして、ステップ２０４では第２の差画像における上記部分領域の中心位置に、上記の出力値、すなわちＭＡＸ−ＭＩＮまたはＣＥＮのいずれかを代入する。

このようにして、部分領域ごとに処理を行いながら、第１の差画像において部分領域を走査する。そして、走査した部分領域の和集合が第１の差画像の領域と一致すれば、フィルタ処理は終了する。

上記の走査については、部分領域の中心位置が第１の差画像の全画素を走査するようにしても良い。つまり、部分領域の中心位置を１画素ずつ移動しても良い。この場合、欠陥が第１の差画像のどの位置にあっても、検出感度は安定する。

また、走査した部分領域の和集合が第１の差画像の領域と一致する限り、部分領域の中心位置は第１の差画像の全画素を必ずしも走査しなくても良い。つまり、部分領域の中心位置を２画素ずつ移動したり、部分領域と同じ画素数ずつ移動しても良い。この場合、検出感度の安定性はやや低いが、フィルタ処理の演算量を低減することができる。

次に、第１の差画像のフィルタ処理により、パターンの欠陥信号が強調されることを説明する。

図３は、ウェーハ１における検査対象のパターンの例を示す。ウェーハ１上には、図３（a）に示すように、ラインパターン３０１が多数並んでおり、ラインパターン３０１の集合（ブロック３０２と呼ぶ）が複数存在する。ここでは、ブロック３０２のサイズは、結像光学系７の光学解像度（３０４で示す）と同程度である。図３（b）では、１つのブロック３０２で、ラインパターン同士が一部繋がっている。この繋がりは欠陥３０３として取り扱われる。

図４は、検査対象の第１の差画像を、９×９の画素においてグレイスケールで示したものである。なお、参照画像は、上記欠陥がないチップで取得した画像である。また、光学解像度３０４は２画素程度に相当する。この差画像の特徴は、欠陥位置の近傍で正の画素値と負の画素値が混在していることである。正の画素値の最大値は＋１５、負の画素値の最小値は−１５であり、両者の絶対値は同じである。つまり、第１の差画像について閾値処理を行う場合、欠陥信号の大きさは１５となる。

上記のように、欠陥位置の近傍で正の画素値と負の画素値が混在する理由は、欠陥からの散乱光とブロックのエッジなどからの散乱光とが結像面で干渉し、光学像の強度分布が生じるためである。欠陥のブロック内の位置などにも依存するが、ブロックのサイズが光学解像度に近い場合、上記現象が発生することが多い。

図５は、第１の差画像の数値データの例を示したものである。ここで、フィルタ処理の部分領域のサイズを、物理寸法としては光学解像度と画素サイズとの和に設定した。すなわち、部分領域のサイズを、行列としては３×３画素（破線の枠）に設定した。そして部分領域を１画素ずつ走査して、フィルタ処理を行い、第２の差画像を出力する。

図６は、第２の差画像の数値データを示したものである。また、図７は、第２の差画像をグレイスケールで示したものである。欠陥位置の近傍で、画素値の最大値は３０である。つまり、第２の差画像について閾値処理を行う場合、欠陥信号の大きさは３０であり、第１の差画像に比べて２倍に強調されたことになる。

ところで、第２の差画像において最大値の画素は、複数存在する。つまり、欠陥候補の画素は複数存在する。このうちの中央の画素を選択することにより、真の欠陥位置に近い判定結果が得られる。

以上の説明では省略したが、第１の差画像にはパターン形状のばらつきなどに起因する背景雑音が含まれる。背景雑音は上記のフィルタ処理により増加するので、通常、第１の閾値は第２の閾値に比べて大きく設定する必要がある。

図８は、閾値設定のユーザインターフェース画面を示したものである。第１の差画像と第２の差画像について、それぞれヒストグラム８０１、８０２が表示される。ユーザは、それぞれのヒストグラム８０１、８０２を参照し、度数が十分に小さい画素値を、第１の閾値と第２の閾値に設定する。閾値の登録はチェックボックス８０３の「登録」にチェックを入れることで行われる。図８では第２の閾値は「１３」と、第１の閾値は「２０」と登録されている。

上記のようなパターンでは、第２の差画像は第１の差画像に対して、欠陥信号の増加率が閾値の増加率を上回る。つまり、第２の差画像について閾値処理を行う方が、高い検出感度が得られる。
一方、結像光学系７の光学解像度に比べて、ブロックのサイズが大きい（より具体的には十分大きい）場合や、ラインパターンが非常に長い場合、第１の差画像の欠陥位置あるいは欠陥位置の近傍で、画素値は正だけになる。この場合、第２の差画像は第１の差画像に比べて、欠陥信号は同じだが、閾値が大きいので、検出感度は低い。つまり、第１の差画像について閾値処理を行う方が、高い検出感度が得られる。

第２の閾値処理部１２aが行う欠陥判定は（１）結像光学系７の光学解像度に比べて、ブロックのサイズが十分大きい場合、ラインパターンが非常に長い場合に好適な処理であると表現できる。一方、第１の閾値処理部１２bが行う欠陥判定は（２）結像光学系７の光学解像度に比べて、ブロックのサイズが実質的に同等か実質的にそれ以下である場合に好適な処理であると表現できる。この２つ欠陥判定の結果の論理和を得れば、（１）の場合、（２）の場合のいずれの場合でも、感度良く欠陥を検出することができるであろうというのが本実施例の１つの考え方である。

本実施例では、第１の差画像による欠陥判定と、第２の差画像による欠陥判定とが互いに補うので、多種多様なパターンについて高い検出感度が得られる。

以上の実施形態では、半導体ウェーハを対象とする暗視野欠陥検査装置について説明したが、本発明はウェーハからの正反射光を検出する明視野欠陥検査装置にも適用可能である。

さらに、結像光学系７の配置は実施例に限定されず、結像光学系７の光軸とウェーハ１の法線とが所定の角度を形成する場合、他の表現としては斜方検出を行う場合も本明細書の開示の範囲内である。また、結像光学系７は複数配置しても良く、複数の結像光学系７のいずれで本実施例の欠陥判定を行うかは作業者が任意に決定すれば良い。

また、本発明は、磁気記憶媒体や液晶デバイスなどのパターンが形成された試料にも広く適用可能である。

１・・・ウェーハ
２・・・画像取得部
３・・・画像処理部
４・・・ステージ
５・・・光源
６・・・照明光学系
７・・・結像光学系
８・・・画像センサ
９・・・画像入力部
１０・・・画像比較部
１１・・・フィルタ処理部
１２ａ・・・第２の閾値処理部
１２ｂ・・・第１の閾値処理部
１３・・・欠陥検出部

Claims (5)

1. 所定のブロックが形成された試料へ光を供給する照明光学系と、
   前記試料からの光を検出する結像光学系と、
   処理部と、を有し、
   前記処理部は、
   前記結像光学系による画像から第１の差画像を得て、
   前記第１の差画像に対して、前記ブロックのサイズが実質的に前記結像光学系の光学解像度以下である場合の為の第１の欠陥判定を行い、
   前記第１の欠陥判定は、前記第１の差画像に対して所定のフィルタ処理を行い第２の差画像を出力するフィルタ処理、及び前記第２の差画像に対する第１の閾値を使用した第１の閾値処理を含み、
   前記処理部は、前記第１の差画像に対して、前記ブロックのサイズが実質的に前記結像光学系の光学解像度より大きい場合の為の第２の欠陥判定を行い、
   前記第２の欠陥判定は、前記第１の差画像に対する第２の閾値を使用した第２の閾値処理を含み、
   前記第１の閾値は前記第２の閾値よりも大きい検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記第１の欠陥判定は、前記第１の差画像に対して所定の行列である所定の部分領域を設定し、前記第１の差画像を部分領域で走査し、第２の差画像を出力するフィルタ処理、及び前記部分領域において、正の画素値が存在しかつ負の画素値が存在するか否か判定する判定処理を含む検査装置。
3. 請求項２に記載の検査装置において、
   前記処理部は、正の画素値が存在しかつ負の画素値が存在すると判定した場合、前記正の画素値の最大値と前記負の画素値の最小値との差分値を出力値とする検査装置。
4. 請求項３に記載の検査装置において、
   前記処理部は、正の画素値または負の画素値が存在しないと判定した場合、前記部分領域の中心位置の画素値を出力値とする検査装置。
5. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記処理部は、前記第１の欠陥判定の結果と前記第２の欠陥判定の結果との論理和を得る検査装置。