(57)【要約】【課題】半導体ＩＣデバイスの欠陥の検出において閾値および閾値比較方式の有効性を評価する。【解決方法】自動式画像処理システムにおいて被検画像を基準画像と関係づける方法および関連の装置を提供する。被検画像と基準画像とを位置合わせする。次に、それら位置合わせした画素位置の各々につき、被検画像画素のグレーレベルを対応の基準画像画素のグレーレベルに対してプロットすることにより二次元分散プロットを作成する。【選択図】図３
2004515830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像処理システムにおいて第１の画像を第２の画像と関係づける方法であって、
（ａ）前記第１の画像を第２の画像と位置合わせする過程と、
（ｂ）位置合わせした画素位置すべてにつき前記第１の画像からの画素のグレーレベルを前記第２の画像からの対応の画素のグレーレベルに対してプロットする過程と
を含む方法。
【請求項２】
前記過程（ｂ）において形成されたプロットに閾値窓をプロットする過程をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記過程（ｂ）において形成されたプロットを可変メモリアレーに蓄積する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記過程（ｂ）において形成されたプロットをビデオモニタに表示する請求項１記載の方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法を実施するプログラムを蓄積したコンピュータ読出し可能な記憶媒体。
【請求項６】
コンピュータ読出し可能な記憶媒体であって、
各々が位置の座標およびグレーレベルで定義される複数の画素を各々が有する第１の画像およびその関連の第２の画像を表すデータを蓄積する複数の記憶位置と、
前記第１の画像からの画素のグレーレベルの前記第２の画像からの対応の画素のグレーレベルに対するプロットを表すデータを蓄積する複数の記憶位置を有するアレーと
を含む記憶媒体。
【請求項７】
欠陥検査システムであって、
（ａ）各々が位置の座標およびグレーレベルで定義される複数の画素を各々が有する第１の画像およびその関連の第２の画像を取り込むように動作可能な画像取込みユニットと、
（ｂ）前記第１の画像および第２の画像を表すデータを蓄積する複数の記憶位置と、
（ｃ）前記第１の画像からの画素のグレーレベルを前記第２の画像からの対応の画素のグレーレベルに対してプロットするように動作可能なプロセッサと
を含む欠陥検査システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概括的にはディジタル画像処理に関し、とくに画像比較技術を用いて半導体装置中の欠陥を検出するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
半導体ウェーハ中の欠陥の検出には画像比較技術が用いられる。通常は被検画像を取り込み、それを基準画像と比較する。これら二つの画像の間の差の検出およびそれら差に基づく実際の欠陥の判定のために欠陥検出アルゴリズムを用いる。いわゆるランダム論理検査モードでは、第１のダイの画像を取り込み、次に同一ウェーハ中の第２のダイの画像と比較する。アレー検査モードも同様に動作が進むが、ダイの一区画を同じダイの中で同一構造を有するもう一つの区画と比較する点がランダム論理検査モードと異なる。アレー検査モードは例えばメモりセルなど同一パターン反復構造のデバイスの検査に用いる。検査対象のウェーハからの複数の画像を比較する代わりに、取り込んだ被検画像をデータベースからの既知の無欠陥基準画像と比較して欠陥を検出することもできる。
【０００３】
図１は従来技術における欠陥検出方法を図解する。分析対象のウェーハの形状特徴の被検画像および基準画像をそのウェーハの互いに異なる区画から例えば慣用の電子ビーム画像化技術を用いて取り込む（ステップ１１０）。各画像は、その画像の中における位置および輝度またはグレーレベルで各々が定義される複数の画素から成る。画像処理におけるグレーレベルの利用はこの技術分野において周知であり、Ｒ．Ｃ．Ｃｏｎｚａｌｅｓ および Ｒ．Ｅ．Ｗｏｏｄｓ 共著「ディジタル画像処理」（Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ社１９９２年刊）の例えば第６頁乃至第７頁に記載されている。その記載をここに引用してその内容全部をこの明細書に組み入れる。次に、上記二つの画像を画素ごとに位置合わせして被検画像の中の各形状特徴と基準画像の中の対応の形状特徴とを照合できるようにする（ステップ１２０）。次に、これら二つの画像のグレーレベルを減算することによって差分画像を発生する（ステップ１３０）。互いに等しいグレーレベルを有する似合いの画素は減算により零となるので上記差分画像が基準画像と被検画像との間の画素グレーレベル偏差を表す。この差分画像の中の各画素のグレーレベルを計測し正規化したのち、図２の曲線２００など一次元ヒストグラムにプロットする（ステップ１４０）。ヒストグラム２００は上記差分画像の中で特定のグレーレベルを有する画素の数をプロットしたものである。例えば、ヒストグラム２００はグレーレベル５０の画素が上記差分画像の中に２０，０００個あることを示す。
【０００４】
上記二つの画像に欠陥がない場合でも被検画像の一つの画素が基準画像の中の対応画素と同じでないことがあり得る。例えば、物理的層構造の相違や、画像取込み電子回路および信号経路における雑音や、単一画像中でグレーレベルの差に応じて変動する雑音などにより輝度変動が生じ得るからである。すなわち、上記差分画像の中の画素は欠陥の存在を示すとは限らない。この擬似欠陥を実際の欠陥から区別するために、差分画像の各画素を閾値窓と比較する（図１、ステップ１５０）。閾値窓を超えたグレーレベルを有する画素は実際の欠陥と判定する。例えば、閾値窓が±５０であって差分画像の中の画素のグレーレベルが６０である場合（すなわち、被検画像のグレーレベルと基準画像のグレーレベルとの差が６０単位である場合）は、その画素は欠陥であると判定する（図１、ステップ１６０）。次に操作者は次の処理過程でダイを廃棄する前にこの欠陥事象がダイの実際の欠陥を示すものであることを確認するために検証する。
【０００５】
与えられた被検画像について最適の閾値を見出すことは重要であるが不正確なタスクである。閾値は、擬似欠陥を識別しながら実際の欠陥を検出するように選定しなければならない。閾値幅が狭いほど多くの擬似欠陥が検出される。擬似欠陥は、各欠陥事象につき検証が必要となるので、製造効率に悪影響を及ぼす。一方、閾値幅を広くすると、擬似欠陥事象は減るものの実際の欠陥が検出されないままになる可能性が高まる。したがって、閾値および閾値比較方式の有効性を評価する方法が必要になっている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は被検画像と基準画像とを関連づける方法およびその関連装置を提供する。この発明の一つの実施例においては被検画像と基準画像とを位置合わせする。次に、被験画像画素のグレーレベルと対応の基準画素のグレーレベルとを位置合わせずみの画素の各位置についてプロットすることにより二次元分散プロットを作成する。この発明は、電子ビーム比較検査システム、高輝度フィールド比較検査システム、低輝度フィールド比較検査システム、レーザ比較検査システム、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）比較検査システムなど多様な画像形成応用装置に用いることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明は被検画像と基準画像の対応の画素とを関係づけるための方法および関連の装置を提供する。本発明は閾値または閾値比較方式の有効性を判定するのに使うことができる。この発明はこの出願と同一発明者名義の関連出願である１９９９年８月２日提出の米国特許出願第０９／３６５，５８３号「欠陥検査のための適応型マスク技法」に記載した画像処理応用など上記以外の応用にも有用であり、同出願をここに参照してその記載内容全部をこの明細書に組み入れる。
【０００８】
図３はこの発明の実施例の方法の各ステップの説明図である。ステップ３１０において、例えば半導体装置の被検画像と基準画像とを慣用の画像取込み技術を用いて取り込む。この画像取込みは、この出願と同一出願人名義の特許出願である１９９９年１月８日提出の米国特許出願第０９／２２６，９６７号「パターン形成ずみの半導体基板における欠陥の検出」に記載した歩進式の画像取込みシステムを用いて達成することもでき、同出願をここに参照してその記載内容全部をこの明細書に組み入れる。
【０００９】
ステップ３２０において、上記被検画像および基準画像を位置合わせしてこれら両画像の間の対応画素比較を遂行できるようにする。この出願と同一出願人名義の１９９９年１月８日提出の特許出願である米国特許出願第０９／２２７，７４７号「形状特徴に基づく欠陥検出方法および装置」に記載した技術を含む多様な位置合わせ手法をこの発明と組み合わせて用いることができ、同出願をここに参照してその記載内容全部をこの明細書に組み入れる。
【００１０】
ステップ３２０を図４Ａ乃至図４Ｃにさらに詳細に図解する。図４Ａは画素４１１−４１６を含む被検画像４１０を示す。これら画素の各々は画像上の位置とグレーレベルとによって定義される。例えば、画素４１３はｉ＝１０，ｊ＝３０（すなわち（１０，３０））の位置にある。画素４１３のグレーレベルはこの図解では５０としてある。表１は被検画像４１０の上記画素の各々についての座標位置およびグレーレベルを示し、表２は基準画像４２０の画素４２１−４２６の各々についての同じ情報を示す（図４Ｂ）。
2004515830.tif 000003
図４Ｃは被検画像４１０と基準画像４２０との位置合わせを図解する。位置合わせした画素位置４３１は画素４１１および４２１を含み、位置合わせした画素位置４３２は画素４１２および４２２を含み、以下同様となる。
【００１１】
基準画像と被検画像とを位置合わせすると、両画像間の画素対画素対応が既知となる。被検画像からの一つの画素のグレーレベルを基準画像の中の対応の画素のグレーレベルと対応させて位置合わせずみの各画素位置につきプロットする（図３、ステップ３３０）。図４Ｃを例として用いて述べると、画素４１１のグレーレベルを画素４２１のグレーレベルに対応させてプロットし、画素４１２のグレーレベルを画素４２２のグレーレベルに対応させてプロットし、以下同様とする。位置４３１−４３６についてステップ３３０を実行すると表３に示すデータが得られる。その結果得られた二次元分散プロット５００を図５Ａに示す。
2004515830.tif 000004
表３は位置合わせずみの画素位置４３４、４３５および４３６が多様なグレーレベルを呈し、したがって欠陥の存在を示していることを表す。一方、位置合わせずみの画素位置４３１、４３２および４３３は、これら位置における被検画像および基準画像のグレーレベルが等しいので、欠陥ではない。分散プロット５００（図５Ａ）は欠陥の存在に関する情報をもたらす。互いに等しいグレーレベルの位置合わせずみ画像位置はすべて分散プロット５００において仮想直線５０１により表示できる（図５Ａ）。仮想直線１の勾配は、被検画像画素のグレーレベルが基準画像中の対応画素のグレーレベルに等しいので＋１である。多様なグレーレベル値を有する位置合わせずみの画素位置はすべて仮想直線５０１から離れている。プロットされる位置が仮想直線５０１から離れるほどグレーレベルの偏移が大きくなり、その位置に欠陥が存在する確率が高まる。分散プロット５００において、位置４３４、４３５および４３６は仮想直線５０１沿いになく欠陥の存在を示している。
【００１２】
分散プロット５００は閾値または閾値比較方式の有効性の評価に用いることができる。例えば、グレーレベル±４０単位の閾値窓をプロットして、図５Ｂの線５０２および５０３で示したとおり分散プロット５００に重ねることができる。線５０２は、被検画像のグレーレベルが基準画像のグレーレベルよりも４０単位大きいすべての位置合わせずみ画素位置を表す。同様に、線５０３は基準画像のグレーレベルが被検画像のグレーレベルよりも４０単位大きい位置合わせずみ画素位置を表す。位置４３５および４３６のような線５０２および５０３の外側の位置合わせずみ画素位置を欠陥事象と判定する。図５Ｂにおいて、位置４３１、４３２、４３３および４３４は閾値窓の内側にあるので欠陥事象をトリガしない。上記とは異なる閾値窓をプロットし分散プロット５００に重畳して、どの位置合わせずみ画素位置を「捕獲」して欠陥事象と判定するかを判定するようにすることもできる。平行線以外の形状に対応する式を用いて閾値窓を形成することもできる。閾値窓の範囲を可視化できると、試験開発中に適切な閾値を定める際に当業者に特に有用である。
【００１３】
この発明の実施例をコンピュータソフトウェアで実働化する擬似符号を下に示す。この擬似符号ではグレーレベル値はメモリーアレー変数（分散）でプロットされる。添付の参考資料ＡはＣプログラム言語で書いた機能のソースコードを示す。参考資料Ａ第２頁「ｈｉｓｔ２Ｄ８」はこの発明による二次元分散プロットを形成する。このコードは欠陥検査システムの一部に慣用の形で結合したコンピュータまたはプロセッサによって実行する。それらシステムがこのソースコードおよび演算結果としてのプロットをコンピュータ読取可能な媒体（メモリ）に通常蓄積することはもちろんである。
2004515830.tif 000005
図６乃至図９はこの発明の実施例の要約図解である。図６は欠陥６０１を含むウェーハから慣用の手法で取り込んだ被検画像６００である。基準画像７００（図７）を慣用の手法で取り込んだのち被検画像６００と位置合わせする（図示してない）。被検画像画素からのグレーレベルを基準画像の対応画素のグレーレベルに対しプロットすることにより、二次元分散プロット８００（図８）を作成する。この分散プロットは手計算で作成でき、またプログラムしたコンピュータを用いても作成できる。位置合わせずみの画素位置を暗色背景の中の白い点で示す。図８において直線８０１は被検画像画素および基準画像画素のグレーレベルが同じである位置合わせずみ画素位置を画する。例えば、被検画像６００が基準画像７００と同じである場合は、分散プロット８００のすべての点は直線８０１上にある。閾値の範囲を定めるために、閾値を定義する式またはパラメータを図９の直線９０１および９０２のようにプロットする。これら直線９０１および９０２の外側の位置は欠陥事象と判定する。
【００１４】
この明細書の記載は説明を目的とするものであって限定を意図するものではないことを理解されたい。この発明の範囲と真意を逸脱することなく多数の変形が可能である。この発明の範囲は特許請求の範囲の各請求項の文言のみによって解釈されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術における欠陥検出方法の流れ図。
【図２】グレーレベルの一次元ヒストグラム曲線。
【図３】本発明の一実施例の方法の各ステップの説明図。
【図４】図４Ａ−図４Ｃは本発明によるアラインメントステップの説明図。
【図５Ａ】本発明による二次元分散プロットを示す図。
【図５Ｂ】本発明による二次元分散プロットを示す図。
【図６】デバイスウェーハから得られた被検画像を示す図。
【図７】デバイスウェーハから得られた基準画像を示す図。
【図８】本発明による二次元分散プロットを示す図。
【図９】本発明による二次元分散プロットを示す図。
【符号の説明】
図１
１１０    基準画像および被検画像を取り込む
１２０    画像を位置合わせする
１３０    差分画像（基準画像−被検画像）
１４０    計測、正規化、ヒストグラム作成
１５０    閾値比較
１６０    欠陥事象を知らせる
図３
３１０    被検画像と基準画像とを取り込む
３２０    画像を位置合わせする
３３０    位置合わせずみ画素位置の各々につき被検画像画素のグレーレベルを対応の基準画像画素のグレーレベルに対してプロットする
【図１】
2004515830.tif 000006
【図２】
2004515830.tif 000007
【図３】
2004515830.tif 000008
【図４】
2004515830.tif 000009
【図５Ａ】
2004515830.tif 000010
【図５Ｂ】
2004515830.tif 000011
【図６】
2004515830.tif 000012
【図７】
2004515830.tif 000013
【図８】
2004515830.tif 000014
【図９】
2004515830.tif 000015
【国際公開パンフレット】
2004515830.tif 000016
2004515830.tif 000017
2004515830.tif 000018
2004515830.tif 000019
2004515830.tif 000020
2004515830.tif 000021
2004515830.tif 000022
2004515830.tif 000023
2004515830.tif 000024
2004515830.tif 000025
2004515830.tif 000026
2004515830.tif 000027
2004515830.tif 000028
2004515830.tif 000029
2004515830.tif 000030
2004515830.tif 000031
2004515830.tif 000032
2004515830.tif 000033
2004515830.tif 000034
2004515830.tif 000035
2004515830.tif 000036
【国際調査報告】
2004515830.tif 000037