JPH1174326A - 半導体断面観察装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 利用者に煩雑な作業を要求せずに、また、検
査対象の半導体を破損することなく、異常部分が周辺回
路へ与える影響を把握可能とする断面形状を提示する半
導体断面観察装置を提供する。 【解決手段】 半導体の表面形状を測定し、表面形状を
表す画像情報を生成する測定手段２２と、生成した表面
形状の画像情報から異常パターンを検出する検出手段２
３と、検出した異常パターンを基に該異常パターンの原
因を仮定し、前記半導体の製造工程および該製造工程に
おける処理内容を表す情報を基に、前記異常パターンを
含む半導体の立体的な内部構造を表す画像情報、およ
び、該画像情報により定まる前記半導体の断面形状を表
す画像情報を、シミュレーションにより生成するシミュ
レーション手段３１と、画像情報を表示するための表示
手段１３，１５とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の異常の解
析を行うための装置に係り、特に、半導体の断面形状を
シミュレーションにより求め表示する半導体断面観察装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハは、成膜、露光、エッチン
グ等の処理を複数の製造装置使って繰り返し行い、ウエ
ハ上にパターンを積み上げることにより製造される。製
造途中での異物の混入や、製造装置の不調が生じた場
合、ウエハ上のパターンには欠陥や変形が生じる。この
ようなパターンの異常を発見するために、散乱光や電子
線を用いた検査や形状観察が行われている。ただし、こ
れらの検査や観察は、工期短縮の必要性から全ての工程
で行うことは困難であり、現実には、製造工程の途中に
設けた検査工程で行われる。このため、異常の検出がな
された時点では、異常が発生した層の上に、既にいくつ
かのパターン層が積み上げられていることがある。従っ
て、検出した異常が半導体の動作に影響するものである
かどうかを判定するためには、デバイス内部の形状を把
握する必要がある。

【０００３】デバイス内部の形状を観察する手法として
は、Ｆ.Ｉ.Ｂ.（Focused Ion Beam）を使ってウエハ上
の目的の位置を切断し、その断面形状をＳＥＭ（走査型
電子顕微鏡）により観察する方法や、上の層をエッチン
グすることにより異物の有無やパターンの形状不良の観
察をおこなう方法がある。また、特開平４−１４２０５
５号公報には、顕微鏡の焦点を変えることにより得られ
る画像を重ね合わせることによりデバイスの内部構造を
表示する方法が示されている。

【０００４】一方、特公平６−１６４７５号公報には、
製品の処理条件の来歴に基づいて該工程における不純物
濃度や形状等についてプロセスシミュレーション、デバ
イスシミュレーション、回路シミュレーションを行うこ
とで、実際のプロセスを再現する方法が記載されてい
る。ただし、この技術は、最終的な半導体回路の動作特
性を予測して、製造工程の処理条件を適正化するための
ものであり、製造途中で発生した異常や不良の解析に利
用できるものではなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】プロセスの微細化によ
り、半導体ウエハの各素子は１mm以下の寸法パターンを
有する。このため、Ｆ.Ｉ.Ｂ.による方法では、ＳＥＭ
を使って切断部を観察しながら切断を行う必要があり、
作業者に高い技能が要求される。そして、このために適
正位置の断面を得ることに失敗し、不良解析の機会を失
う場合がある。また、半導体ウエハは、数百の工程と数
十枚の露光マスクにより生成される複雑な３次元形状を
なすため、断面のＳＥＭ画像から直ちに、異常が発生し
た工程や、異常部分が周辺回路に与える影響を特定する
ことは困難である。

【０００６】エッチングによる方法では、異常の原因と
なる異物を同時にエッチングしてしまい、原因の解析が
できなくなることがある。また、Ｆ.Ｉ.Ｂ.による方法
と同様に、利用者に面倒で時間のかかる作業を要求し、
検査対象の半導体ウエハは破損してしまう。

【０００７】特開平４−１４２０５５号公報の方法は、
処理を終えたデバイスについて内部形状の異常を検出す
ることができるが、その工程に至る過程のパターン形状
の変化を立体的に把握して、異常部分の周辺回路（特に
パターン下方向）への影響を調べることはできない。

【０００８】そこで、本発明は、利用者に煩雑な作業を
要求せずに、また、検査対象の半導体を破損することな
く、異常部分が周辺回路へ与える影響を把握可能とする
半導体断面形状を提示する半導体断面観察装置を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、半導体の表面形状を測定し、表面形状を
表す画像情報を生成する測定手段と、生成した表面形状
の画像情報から異常パターンを検出する検出手段と、検
出した異常パターンを基に該異常パターンの原因を仮定
し、前記半導体の製造工程および該製造工程における処
理内容を表す情報を基に、前記異常パターンを含む半導
体の立体的な内部構造を表す画像情報、および、該画像
情報により定まる前記半導体の断面形状を表す画像情報
を、シミュレーションにより生成するシミュレーション
手段と、画像情報を表示するための表示手段とを備える
ことを特徴とする半導体断面観察装置を提供する。

【００１０】このような半導体断面観察装置によれば、
検査対象の半導体には非接触で、異常部分が周辺回路へ
与える影響を把握可能とする半導体断面形状を自動的に
提示することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１２】本実施形態に係る半導体断面観察装置は、
半導体製造ライン内のある検査工程に対応して設置さ
れ、半導体の表面パターンより検出した異常部分の断面
形状をシミュレーションにより推定し表示するものであ
る。この断面形状の表示により、利用者は、異物などの
異常部分が、周辺回路（配線や穴を含む）の断線や短絡
などの不良を引き起こすものであるかどうかを確認する
ことができる。また、これらの検査および解析は、検査
対象の半導体を破損させるこなく実施できる。

【００１３】図１に、半導体断面観察装置のブロック構
成を示す。

【００１４】半導体断面観察装置１０は、半導体の表面
パターンの検査を行うためのウエハ観察部２０と、異常
部分を含め半導体の形状を推定するための形状シミュレ
ーション部３０と、データ処理部１５とを有する。

【００１５】ウエハ観察部２０は、ウエハの表面形状を
測定するＳＥＭを有する外観検出部２２と、外観検出部
２２の制御と測定結果の処理を行う制御部２３と、その
処理により得られる異常パターンの位置および大きさを
示す情報が格納される検査座標データベース２１とを備
える。異常パターンの検出は、外観検出部２２で得た表
面形状と、予め定められた正常な表面形状との比較によ
り行われる。

【００１６】形状シミュレーション部３０は、形状シミ
ュレータ３１と、形状シミュレーションのための設計情
報が格納される設計仕様データベース３３と、シミュレ
ーション結果が格納される形状データベース３２とを備
える。設計仕様データベース３３には、複数の半導体装
置の露光マスクと各工程のプロセス条件を記述したプロ
セスフローを示す設計情報が予め格納されている。形状
シミュレータ３１は、ソフトウェア処理による形状シミ
ュレータの機能を持ち、設計仕様データベース３３の設
計情報を基に３次元の形状データを生成し、形状データ
ベース３２に格納する。

【００１７】データ処理部１５は、制御部２３および形
状シミュレータ３１の管理と、処理結果の表示を行う。
利用者からの指示の受付と、処理結果の表示を行うた
め、データ処理部１５には、キーボード１２、マウス１
４、および、ＣＲＴ（ディスプレイ）１３が接続されて
いる。なお、以上のデータ処理部１５、形状シミュレー
タ３１および制御部２３は、コンピュータ１１により実
現される。

【００１８】ここで、半導体断面観察装置１０の運用形
態と動作の概要について、図２および図３を用いて説明
する。

【００１９】図２に示すように、製造ライン４０には、
例えば、半導体の複数層分の形成を行う製造工程の後に
検査工程が設けられる。検査工程に設けられた検査装置
４１は、例えばパターンマッチングにより、表面形状の
異常パターンの位置を検出する。異常パターンを検出さ
れた半導体ウエハ４２は、半導体断面観察装置１０の外
観検出部２２に送られて、異常位置の周辺の表面形状を
詳細に測定される。この測定結果は、検査用コンピュー
タで処理され、異常部分の位置および大きさを高精度に
検出される。また、データ処理部１５は、測定結果が示
す表面パターン形状４４をＣＲＴ１３に表示させる（以
上、図３のステップ５０）。そして、異常部分の形状か
ら断面形状の観察の要否を判定する（ステップ５１）。
この判定は、例えば異常部分の面積に応じてコンピュー
タ１１が自動で行うか、表示画像を基に利用者が行う。
そして、断面形状の観察が必要な場合は形状シミュレー
タ部３０を起動し、不要な場合には、次の異常部分の観
察を開始する（ステップ５２）。

【００２０】起動された形状シミュレータ部３０は、ま
ず、検査工程以前の製造工程で異常を引き起こしている
工程と、その異常の内容を仮定する（ステップ５３）。
異常の内容としては、異物の発生、露光マスクの合わせ
ズレ、寸法の変化等が仮定される。そして、形状シミュ
レータ部３０では、この仮定を考慮して、検査工程前の
複数の製造工程における半導体ウエハの形状をシミュレ
ーションする（ステップ５４）。この結果は、３次元形
状データおよび表面形状データとして形状データベース
３２に格納される。表面形状データは、データ処理部１
５により、表面形状４６としてＣＲＴ１３に表示される
と共に、外観検出部２２で検出された表面形状４４と比
較され、一致するか否かを判定される（ステップ５
６）。この比較は、例えばデータ処理部１５が形状デー
タの比較演算により行うか、利用者が表示画像を基に行
う。形状が不一致の場合、上記ステップ５３の仮定が正
しくないと判断できるため、別の製造工程または異常の
内容を新たに仮定して（ステップ５７）、上記ステップ
５４〜５６の処理を繰り返す。形状が一致した場合に
は、データ処理部１５が、上記仮定を考慮した異常部分
の断面形状４７をＣＲＴ１３に表示する（ステップ５
８）。また、必要に応じて、半導体ウエハの表面形状お
よび断面形状を、各製造工程の終了時点毎に表示した
り、断面の向きを変えて表示する（ステップ５９）。こ
れにより、利用者は、異常部分が周辺回路に与える影響
を詳細に把握することが可能となる。

【００２１】図４に、検査座標データベース２１の格納
情報のフォーマットを示す。外観検出部２２の測定情報
は、制御部２３で処理されて、品種名、ロット番号、ウ
エハ番号、工程名、異物座標（ｘ，ｙ）および異物サイ
ズ［μｍ］として検査座標データベース２１に格納され
る。異物座標および異物サイズは、検出した各異常部分
毎に組で設定される。また、図示はしていないが、検査
座標データベース２１には、正常パターンとの不一致部
分を表す画像情報も格納される。

【００２２】以下、形状シミュレーション部３０につい
て詳細に説明する。

【００２３】ソフトウェア処理により実現される形状シ
ミュレータ３１は、図５に示すように、機能ブロックと
して、３次元形状データおよび表面形状データを生成す
る形状生成モジュール７１と、２次元の断面形状データ
を生成する断面形状生成モジュール７２とにより構成さ
れる。形状生成モジュール７１により生成された３次元
形状データは、形状データベース７３に格納され、断面
形状生成モジュール７２の断面形状データの生成に利用
される。

【００２４】形状生成モジュール７１は、図６に示すよ
うに、入力変換部８３、露光シミュレータ９１、エッチ
ングシミュレータ９２、および、成膜シミュレータ９３
により構成される。入力変換部８３は、設計仕様データ
ベース３３に格納されている露光マスク情報８１と、各
工程のプロセス条件を表すプロセスフロー情報８２を、
各シミュレータ９１〜９３の入力形式に変換する。図７
および図８に、シミュレータの入力情報のフォーマット
を示す。図７に示すように、露光マスク情報１１０は、
露光マスクの形状データを各露光マスク毎に有する。図
８に示すプロセスフロー情報１１１には、各工程の工程
名や、膜厚、エッチング量等の設計値が含まれる。

【００２５】ここで、形状シミュレータ３１による形状
生成の具体例を、図９〜図１１を用いて説明する。ＣＶ
Ｄによる成膜工程では、成膜シミュレータ９３が、図９
に示すように、プロセスフロー情報１１１を基に、半導
体表面１１２上に垂直方向に成長させた膜を形成するシ
ミュレーションを行う。露光シミュレータ９１は、図１
０に示すように、露光マスク情報８１を基に、布露光マ
スクのパターン形状１１４から光の強度分を求め、半導
体表面にレジストパターン形状１１５を転写するシミュ
レーションを行う。そして、ドライエッジングの工程に
ついては、エッチングシミュレータ９２が、プロセスフ
ロー情報１１１を基に、図１１に示すように、レジスト
パターン（１１６）のない部分１１７の下地膜１１８を
除去するシミュレーションを行う。

【００２６】図１２に、異物が存在する場合の形状シミ
ュレータ３１の処理フローを示す。

【００２７】形状シミュレータ３１は、まず、異物が形
成された製造工程を仮定し（ステップ１２０）、その製
造工程の直前の半導体ウエハの３次元形状データをシミ
ュレーションにより生成する（ステップ１２１）。シミ
ュレーションでは、プロセスフロー情報に従って、成
膜、露光、エッジング等の処理を繰り返す。

【００２８】次に、形状シミュレータ３１は、このよう
にして生成した下地の上に、検査結果の異物１３１（図
１３参照）を、異物座標（Ｘ0，Ｙ0）と異物サイズｒに
従い形成する（ステップ１２２）。なお、ウエハ観察部
２０で検出された異物は、図１４に示すように円形にモ
デル化される。具体的には、実際に検出した異物形状１
３６についてその重心Ｇから境界面までの距離ｔの平均
値を求め、その平均値ｒを半径とする円１３７を、モデ
ル化した異物形状とする。

【００２９】続いて、形状シミュレータ３１は、異物を
検出した検査工程までの残りの製造工程について、半導
体ウエハの３次元形状データをシミュレーションにより
生成する。ここでも、シミュレーションでは、プロセス
フロー情報に従って、成膜、露光、エッチング等の処理
を繰り返す（ステップ１２３，１２６）。そして、工程
毎に、３次元形状データを生成し、検査工程まで生成し
た場合には、さらに、半導体ウエハの表面形状を示す表
面形状データを生成して、形状データベース３２に格納
する（ステップ１２４）。これにより、形状データベー
ス３２には、図１２に示すように、品種名、ロット番
号、ウエハ番号、異常発生工程、表面形状データ、およ
び、３次元形状データが格納される（ステップ１２
６）。

【００３０】そして、シミュレーションによる表面形状
と、実際に測定した表面形状とをパターンマッチングに
より比較する（ステップ１２７，１２８）。この際の、
比較対象の各表面形状は、差分フィルタにより表面画像
から線や縁を抽出したものである。表面形状が一致しな
い場合には、ステップ１２４で格納した表面形状データ
および３次元形状データを消去し（ステップ１３０）、
異物の発生工程を変更して（ステップ１３２）、上記ス
テップ１２１以降の処理を繰り返す。ここで、異物の発
生工程が検査工程となる場合には処理を終了する。上記
ステップ１２８で表面形状が一致した場合には、断面形
状生成モジュール７２を起動し、断面形状を算出させる
（ステップ１２９）。

【００３１】断面形状生成モジュール７２は、図１６に
示すように、形状データベース３２の３次元形状データ
を基に、指定された切断面の断面形状データ４７を生成
する。この断面形状データの生成および表示は、図１７
に示す処理フローに従い、断面形状生成モジュール７２
およびデータ処理部１５により実施される。

【００３２】上記ステップ１２８（１６０）で表面形状
が一致すると、データ処理部１５は、表示している表面
形状におけるマウス１４等の操作により切断面の位置お
よび方向の指定を利用者から受け、その位置情報を断面
形状生成モジュール７２に指定する（ステップ１６
１）。断面形状生成モジュール７２は、指定された位置
に対応する３次元形状データを形状データベース３２で
検索し（ステップ１６２）、検索したデータを処理し
て、断面形状データ４７を算出する（ステップ１６
３）。算出された断面形状データ４７はデータ処理部１
５によりＣＲＴ１３に表示される（ステップ１６４）。

【００３３】利用者から切断面の方向の変更を指示され
た場合、データ処理部１５は、その位置情報を断面形状
生成モジュール７２に出して新たな切断面の断面形状デ
ータを生成させ、表示する。さらに、利用者から工程ご
との表示を指示された場合には、断面形状生成モジュー
ル７２に、工程毎に断面形状データの生成を行わせ、そ
れを段階的に表示する。

【００３４】なお、以上では異物の発生工程のみを形状
シミュレーションのパラメータとしたが、異物の大きさ
や成分をパラメータに含めるようにしてもよい。

【００３５】次に、露光マスクの合わせズレや寸法の変
化が存在する場合の形状シミュレータ３１の処理につい
て、図１８を用いて説明する。

【００３６】形状シミュレータ３１は、制御部２３で検
出された、正常なパターンとの不一致部分が広範囲に連
続的に分布する場合、露光時の異常を疑う。まず、設計
仕様データベース３３で、不一致部分のパターンと同内
容の形状を表す露光マスク８１を検索する（ステップ１
７０）。そして、検索した露光マスク８１が不一致部分
のパターンに一致するように、露光マスク８１の位置や
縮尺を変更する。そして、変更した露光マスクを用い
て、検査工程まで成膜、露光、エッチングのシミュレー
ションを繰り返し、３次元形状データを工程毎に形状デ
ータベース３２に格納する（ステップ１７３，１７４，
１７６）。そして、利用者より指定された切断面におけ
る断面形状を求める（ステップ１７７）。もちろん、図
１２と同様に、表面形状を比較して、一致しない場合に
は他のマスクについて上記の処理を繰り返すようにして
もよい。

【００３７】以上にように、本実施形態の装置によれ
ば、利用者は、目的位置の断面形状を容易に観察するこ
とができ、異常部分が周辺回路に与える影響を把握する
ことができる。また、この観察は検査対象の半導体を破
壊せずに行えるため、不良サンプルの損失もない。さら
に、製造工程の順序に従ってパターン形状の変化を観察
できるため、デバイス構造が複雑な場合でも、異常の発
生メカニズムの把握が容易になる。こうしたことによっ
て、異常解析の効率化を図ることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上で説明したように、本発明によれ
ば、利用者に煩雑な作業を要求せずに、また、検査対象
の半導体を破損することなく、異常部分が周辺回路へ与
える影響を把握可能とする半導体断面形状を提示する半
導体断面観察装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による断面形状観察装置の構成例を示
すブロック図である。

【図２】 断面形状観察装置の利用形態の概要を示す図
である。

【図３】 断面形状観察装置の動作の概要を示す処理フ
ローである。

【図４】 検査座標データベースの格納データの形式を
示す図である。

【図５】 形状シミュレータの機能構成を示す図であ
る。

【図６】 形状生成モジュールの機能構成を示す図であ
る。

【図７】 露光マスク情報の形式の一例を示す図であ
る。

【図８】 プロセスフロー情報の形式の一例を示す図で
ある。

【図９】 成膜シミュレータの機能を説明するための図
である。

【図１０】 露光シミュレータの機能を説明するための
図である。

【図１１】 エッチングシミュレータの機能を説明する
ための図である。

【図１２】 異物が存在する場合の形状シミュレータの
処理フローである。

【図１３】 異物生成用のマスク情報を示す図である。

【図１４】 異物形状のモデル化の例を示す図である。

【図１５】 形状データベースの格納データの形式を示
す図である。

【図１６】 断面形状生成モジュールの機能を説明する
ための図である。

【図１７】 断面形状データを生成処理の処理フローで
ある。

【図１８】 露光マスクに異常がある場合の形状シミュ
レータの処理フローである。

【符号の説明】

１０ 半導体断面観察装置 １１ コンピュータ １２ キーボード １３ ＣＲＴ（ディスプレイ） １４ マウス １５ データ処理部 ２０ ウエハ観察部 ２１ 検査座標データベース ２２ 外観検出部 ２３ 制御部 ３０ 形状シミュレーション部 ３１ 形状シミュレータ ３２ 形状データベース ３３ 設計仕様データベース ４１ 検査装置 ４２ 異常パターンを持つウエハ ７１ 形状生成モジュール ７２ 断面形状生成モジュール ９１ 露光シミュレータ ９２ エッチングシミュレータ ９３ 成膜シミュレータ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体の表面形状を測定し、表面形状を表
   す画像情報を生成する測定手段と、 生成した表面形状の画像情報から異常パターンを検出す
   る検出手段と、 検出した異常パターンを基に該異常パターンの原因を仮
   定し、前記半導体の製造工程および該製造工程における
   処理内容を表す情報を基に、前記異常パターンを含む半
   導体の立体的な内部構造を表す画像情報、および、該画
   像情報により定まる前記半導体の断面形状を表す画像情
   報を、シミュレーションにより生成するシミュレーショ
   ン手段と、 画像情報を表示するための表示手段とを備えることを特
   徴とする半導体断面観察装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の半導体断面観察装置におい
   て、 前記異常パターンの原因には、異物が含まれ、 前記シミュレーション手段は、異物が混入した製造工程
   と、該異物の位置および大きさとを仮定して、シミュレ
   ーションを行うことを特徴とする半導体断面観察装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の半導体断面観察装置におい
   て、 前記異常パターンの原因には、露光マスクの異常が含ま
   れ、 前記シミュレーション手段は、異常原因の露光マスク
   と、該露光マスクの位置または縮尺のズレとを仮定し
   て、シミュレーションを行うことを特徴とする半導体断
   面観察装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の半導体断面観察装置におい
   て、 前記シミュレーション手段は、さらに、生成した前記半
   導体の立体的な内部構造を表す画像情報により定まる前
   記半導体の表面形状を表す画像情報を生成する機能を有
   し、 該表面形状を表す画像情報と、前記測定手段の生成した
   画像情報との比較により、前記仮定した原因の妥当性を
   判定するための手段を、さらに備えることを特徴とする
   半導体断面観察装置。
5. 【請求項５】請求項４記載の半導体断面観察装置におい
   て、 前記シミュレーション手段は、前記仮定した原因が妥当
   でないと判定された場合、別の原因を仮定して前記シミ
   ュレーションを繰り返すことを特徴とする半導体断面観
   察装置。
6. 【請求項６】請求項１記載の半導体断面観察装置におい
   て、 前記シミュレーション手段は、前記シミュレーションを
   前記半導体の各製造工程毎に段階的に行い、前記断面形
   状を表す画像情報を、各製造工程毎に生成することを特
   徴とする半導体断面観察装置。
7. 【請求項７】請求項１記載の半導体断面観察装置におい
   て、 前記断面形状の切断面の位置および方向の指定を受ける
   入力手段を、さらに備え、 前記シミュレーション手段は、指定された位置および方
   向の切断面における断面形状を表す画像情報を生成する
   ことを特徴とする半導体断面観察装置。