(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査試料上の検査位置に電子顕微鏡視野を登録する検査点設定手段と、前記登録された検査位置に自動的に視野移動し該検査位置で撮像された検査画像の異常部を特異点として自動的に検出する特異点自動検出手段と、前記特異点自動検出手段によって検出された特異点についての情報を得る観察処理手段とを備え、
前記特異点自動検出手段は、前記検査画像を同じ大きさの複数の部分画像に分割し、各部分画像内において、前記被検査試料上に形成されているパターンの１周期又は複数周期だけ離れた小領域間の差分処理を行って差分の総和を求め、該差分の総和が最大となった部分画像内に特異点が存在するものとして特異点の検出を行うことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
周期パターンが形成されている被検査試料を電子顕微鏡で撮像して得られた検査画像上の特異点を検出する検査方法において、前記検査画像を同じ大きさの複数の部分画像に分割し、各部分画像内において、被検査試料上に形成されているパターンの１周期又は複数周期だけ離れた小領域間の差分処理を行って差分の総和を求め、該差分の総和が最大となった部分画像内に特異点が存在するものとして特異点の検出を行うことを特徴とする検査方法。
【請求項３】
前記小領域は複数のピクセルから構成されることを特徴とする請求項２記載の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩウェーハや、ＴＦＴ、マスクなどの微細パターン上でパターン欠陥、異物の検査もしくは観察情報の保存を行う電子顕微鏡及び検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体製造技術の進歩に伴い、半導体装置の製造検査では、検査が必要な欠陥や異物等（以下、欠陥や異物等を総称して単に欠陥という）が微小化し、光学式顕微鏡を用いての欠陥の検出あるいは観察は困難になっている。そこで従来、欠陥の高分解能観察においては、予め欠陥検査装置（あるいは異物検査装置）を用いて欠陥の発生箇所を特定し、欠陥検査装置の提供する座標原点、欠陥座標等の情報を基に、座標機能付き電子顕微鏡等を用いて、欠陥を高分解能観察することが行われている。これらのシステム化を考慮した特許に特開平９−１３９４０６号公報がある。この電子顕微鏡システムにおいては、検査装置の提供する欠陥の情報を基に、電子顕微鏡の視野を移動し、得られた検査用２次電子画像と、隣接チップの同等チップ内座標より得られた参照用２次電子画像２枚との計３枚の画像間でパターンマッチング、差分処理等を行い、欠陥を自動的に特異点として検出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の電子顕微鏡システムで欠陥を高分解能観察するためには、欠陥検査装置を用いて予め欠陥位置を特定しておく必要がある。また、半導体装置の製造過程で、光学式の欠陥検査装置では検出不可能な微小欠陥を検査する場合、もしくは半導体装置の基板上のある位置のみを検査する必要があるような場合には、予め欠陥の発生箇所を特定することができず、人間が検査したい特定領域に電子顕微鏡の観察視野を移動させ、目視で欠陥を検出、観察している。このような場合には、欠陥検査装置による欠陥の特定が行われていないために、上述のシステムのような自動観察を行えないという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、予め検査装置を用いて欠陥位置を特定する必要なく、欠陥の検出及び高分解能観察を自動的に行うことのできる電子顕微鏡、及び検査方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、試料上の被検査領域以外の参照領域に不要の電子線を照射して損傷を与えることなく、被検査領域内の欠陥検出及び高分解能観察を可能にする電子顕微鏡、及び検査方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、半導体ウェーハに形成される半導体メモリ等、微細な同一のパターンの繰り返しで構成されるパターンの欠陥やパターンに付着した異物等は、その周期的なパターンの乱れとして捉えることができることに着目し、本発明に至った。
【０００６】
すなわち、本発明の電子顕微鏡は、被検査試料の検査位置を電子顕微鏡上に登録する検査点登録手段と、登録された検査位置で撮像された検査画像の異常部を特異点として自動的に検出する特異点自動検出手段と、特異点自動検出手段によって検出された特異点についての情報を得る観察処理手段とを備えることを特徴とする。検査画像は、電子線照射によって試料から放出された２次電子、反射電子、あるいは２次電子と反射電子を用いて撮像される。この電子顕微鏡は、異常部に関する事前情報に基づいて顕微鏡視野領域を自動的に設定する視野自動設定手段を備えてもよい。ここで異常部に関する事前情報とは、検査座標、発生欠陥サイズ、最小欠陥検出サイズ、欠陥のカテゴリ、クラスタ、発生工程名などである。これらの事前情報のうち検査座標は、電子顕微鏡の視野位置を設定するために利用される。また、発生欠陥サイズ、最小欠陥検出サイズ、カテゴリ、クラスタ等は電子顕微鏡の視野領域を設定するのに利用され、任意の発生工程、サイズ、クラスタ等のみを選択して特異点自動検出を行うためにも利用される。
【０００７】
観察処理手段は、検出された特異点についての観察情報及び付帯情報を保存する機能を有するものとすることができる。ここで観察情報とは画像情報を指し、付帯情報には欠陥や異物の大きさ、面積、Ｘ方向の投影長、Ｙ方向の投影長、カテゴリなどが含まれる。
観察処理手段は、また、特異点自動検出手段による検出結果により電子顕微鏡の観察条件を変更する機能を有するものとすることができる。この機能により、例えば検出された特異点の大きさや分布、広がりに応じて、その全体を観察できるように電子顕微鏡の観察倍率を変更することができる。例えば、検出された特異点が広く分布しているような場合には観察倍率を下げて全体が視野に入るようにする。
【０００８】
特異点自動検出手段は、被検査試料上に形成されているパターンの周期情報を利用して特異点の検出を行うことができる。また、特異点自動検出手段は、被検査試料上に形成されている周期パターンの乱れを検出して特異点の検出を行うことができる。
より具体的には、特異点自動検出手段は、被検査試料上に形成されているパターンの周期情報を利用して検査画像をパターンの１周期又は複数周期で区切った複数の部分画像を作成し、複数の部分画像間の対応する小領域間の差分処理を行って特異点の検出を行うことができる。
【０００９】
あるいは、特異点自動検出手段は、検査画像を同じ大きさの複数の部分画像に分割し、各部分画像内において、被検査試料上に形成されているパターンの１周期又は複数周期だけ離れた小領域間の差分処理を行って差分の総和を求め、該差分の総和が最大となった部分画像内に特異点が存在するものとして特異点を検出することができる。
【００１０】
前記電子顕微鏡において、小領域は、１つのピクセルから構成されていてもよいし、複数のピクセルから構成されていてもよい。電子顕微鏡は、走査型電子顕微鏡とすることができるが、透過型、走査透過型等、他のタイプの電子顕微鏡であってもよい。
また、本発明の検査方法は、周期パターンが形成されている被検査試料の特異点を検出する検査方法において、パターンの周期情報を利用してパターンの乱れを検出し、パターンに乱れが存在する位置を特異点として検出することを特徴とする。
【００１１】
本発明の検査方法は、また、周期パターンが形成されている被検査試料を電子顕微鏡で撮像して得られた検査画像上の特異点を検出する検査方法において、検査画像をパターンの１周期又は複数周期で区切った複数の部分画像を作成し、複数の部分画像間の対応する小領域間の差分処理を行って特異点を検出することを特徴とする。
【００１２】
本発明の検査方法は、また、周期パターンが形成されている被検査試料を電子顕微鏡で撮像して得られた検査画像上の特異点を検出する検査方法において、検査画像を同じ大きさの複数の部分画像に分割し、各部分画像内において、被検査試料上に形成されているパターンの１周期又は複数周期だけ離れた小領域間の差分処理を行って差分の総和を求め、該差分の総和が最大となった部分画像内に特異点が存在するものとすることを特徴とする。
【００１３】
前記検査方法において、小領域は１つのピクセルから構成されていてもよいし、複数のピクセルから構成されていてもよい。
本発明では、欠陥検査装置や異物検査装置による欠陥や異物の発生箇所の情報を必要とせず、試料上の被検査領域の電子顕微鏡像（検査画像）における周期パターンの乱れを検出することで欠陥や異物の位置を特定する。このように、被検査領域の電子顕微鏡像のみから、そのパターンの異常部を特異点として検出するものであるため、被検査領域の電子顕微鏡像と比較すべき参照画像を必要としない。従って、参照画像を取得するために被検査領域以外の試料上の領域に電子線を照射することがなくなるので、電子線照射による試料の損傷を最小限に抑えることができる。
【００１４】
本発明の一態様では、例えば半導体ウェーハ上に存在する欠陥を、ウェーハ上の任意領域の２次電子像を最適検査、観察倍率で電子計算機上に取り込み、取り込んだ２次電子像から、設計ルールなどのウェーハ上に構成されているパターン周期情報を用いた検出方法により欠陥の存在箇所を自動的に特異点として検出し、その特異点を最適倍率で自動的に観察し、観察画像や付帯情報を電子情報として保存する。これにより、被検査試料上の任意領域の欠陥検出（異物検出も含む）あるいは観察から画像保存までを自動で行うことが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。以下では、半導体ウェーハに形成されるメモリパターンの欠陥検査を例にとって説明する。しかし、本発明は、半導体ウェーハ上のパターンの欠陥に限らず、周期的なパターンを有する任意の被検査試料上の欠陥や異物等の検査に適用できるのは勿論である。
【００１６】
図１は、本発明による電子顕微鏡の構成を示すブロック図である。この電子顕微鏡４は、検査点登録手段１、特異点自動検出手段２、特異点の情報処理・観察処理手段３を備える。電子顕微鏡４は、典型的には走査型電子顕微鏡とすることができるが、透過型、走査透過型等、他のタイプの電子顕微鏡であってもよい。電子顕微鏡のオペレータは、検査点設定手段１により、検査したい半導体ウェーハ上の検査点を電子顕微鏡上に登録する。電子顕微鏡４は、登録された検査点に自動的に視野移動する。そして、特異点自動検出手段２により特異点（欠陥や異物）の自動検出を行い、検出された特異点の画像情報を情報処理・観察処理手段３により処理する。
【００１７】
情報処理・観察処理手段３は、検出された特異点の電子顕微鏡画像を取得して保存する処理、取得した画像情報から特異点の大きさ、面積、Ｘ方向の投影長、Ｙ方向の投影長、カテゴリなどの付帯情報を取得して保存する処理等を行う。情報処理・観察処理手段３は、また、特異点自動検出手段２により検出された特異点の大きさや分布、広がりに応じて、その全体を観察できるように電子顕微鏡４の観察倍率等の観察条件を変更する。なお、電子顕微鏡に登録する検査点は、異常部検査装置を用いて得られた欠陥異物座標の情報を用いて決定してもよい。
【００１８】
図２は、本発明の第１実施例による欠陥検出、高分解能観察処理の一例の処理手順を説明するフローチャートである。まず、設計データもしくは異常部検査装置より提供される座標情報をもとに電子顕微鏡試料台に対する試料のアライメントを行う（Ｓ１１）。次に、電子顕微鏡上に検査点の登録を行う（Ｓ１２）。検査点の登録は、電子顕微鏡上に半導体ウェーハのマップを作成し、オペレータが検査点の座標データを登録することで、もしくは異常部検査装置より得られた座標を登録することで行われる。
【００１９】
図３は、検査点登録画面の一例を示す図である。この図３を用いて検査点を登録、設定する方法について説明する。電子顕微鏡の検査点設定ウィンドウ３７で検査する半導体ウェーハのウェーハマップ３２を作成し、マップ３２上の検査チップ３３を指定する。図では、検査チップ３３を網掛けで、非検査チップ３４を白色で表示している。さらに、検査チップ３３内の検査座標（Ｘ，Ｙ）をチップ内座標値入力エリア３５に入力し、検査点設定ボタン３６で電子顕微鏡に検査点を登録する。検査チップ３３内の検査座標は、電子顕微鏡のチップの画像を見ながら画像上でマウスカーソル等を用いて設定してもよく、この場合は検査チップ内座標が自動で設定される。また、検査点の登録方法は図３に示した方法に限定されるものではなく、座標設定が可能な手段であれば、その手法は問わない。
【００２０】
図２に戻り、製造途中工程の半導体ウェーハなどのように、電子顕微鏡で被検査基板上にパターンが観察される場合、検査点が含まれるチップに隣接するチップの同等チップ内座標もしくは隣接セル内の同等セル内座標を参照点としてその参照点に電子顕微鏡の視野を移動し（Ｓ１３）、参照画像として２次電子像を電子計算機上に取り込む（Ｓ１４）。電子顕微鏡の観察倍率は、最小検出可能欠陥サイズが電子顕微鏡の観察倍率に依存することから、オペレータが希望する最小欠陥サイズが検出可能な観察倍率を自動設定する。また、検査点が異常部検査装置より得られた座標であれば、検査装置の座標誤差、電子顕微鏡の座標誤差と、検査装置と電子顕微鏡の間の座標誤差を許容する最大倍率に設定するが、例えば、サイズの大きい欠陥の場合、画像内に欠陥が納まるように最大倍率を変更する。あるいは、傷、はがれ、異物など欠陥の種類を示すカテゴリが、傷などのように密集して分布するカテゴリの場合、任意に設定可能な周辺領域に同じカテゴリが存在すれば、その欠陥存在領域を含めた倍率に変更することが可能である。
【００２１】
次に、電子顕微鏡の視野を電子顕微鏡上に登録された検査点に移動する（Ｓ１５）。その後、検査点の２次電子像を参照画像取得時と同じ観察倍率で検査画像として取り込み（Ｓ１６）、２枚の画像間でパターンマッチング法等による画像比較を行い、パターン上における特異点（欠陥）の位置を特定する（Ｓ１７）。続くステップ１８の判定では、特異点が検出されていれば、その検出点を観察中心に設定し、観察可能な最大倍率に設定し画像保存、測長など特異点の情報処理・観察処理を行う（Ｓ１９）。この時の観察倍率は、予め設定した観察倍率とすることも可能である。その後、最適倍率での観察画像を電子情報として電子計算機上に保存する。また、画像のみでなく、検出された特異点（欠陥）のサイズ、投影長（横方向、縦方向）などの付帯情報を同時に保存することも可能である。
【００２２】
ステップ１７の処理で特異点の存在が確認できなかった場合には、ステップ１８からステップ２０に進み、その検査点についての再検査を実行するかどうか決定する。再検査を実行するかどうかは、オペレータがその都度決定するようにしてもよいし、常時再検査を実行するようにしてもよい。いずれのモードとするかは事前に設定することができる。再検査をする場合には、ステップ２０からステップ１３に戻り、再度参照画像と検査画像を取得して特異点の自動検出を行う。このとき、参照画像を取得するチップを他のチップに変更してもよい。また、再検査を行わない場合、ステップ２０からそのままステップ２１に進む。ステップ２０からステップ２１に進む前に、あとで再チェックが可能なように、特異点が認められなかった検査画像を保存するようにしてもよい。オペレータの希望によっては、検査画像と共に参照画像も保存する。
【００２３】
次にステップ２１に進んで、いま特異点検出を行った検査点がステップ１２で登録した最後の検査点であるかどうかを判定し、全ての検査点について検査が終了するまでステップ１３からの処理を繰り返す。ここで、参照画像や検査画像は必ずしも２次電子像である必要はなく、反射電子像であってもよいし、反射電子と２次電子の混合画像であってもよい。ステップ１７で実行される特異点の自動検出処理も、２枚の画像間のパターンマッチング処理に限定される訳ではなく、パターン特異点の自動検出が可能であればその手法は問わない。
【００２４】
次に、図４及び図５を用いて、本発明の第２実施例について説明する。図４は本実施例による特異点の自動検出処理を説明する図、図５は処理の流れを示すフローチャートである。この第２実施例は、参照画像を用いず、検査画像のみからパターンの周期性が乱れている異常部を特異点として自動的に検出するものである。検査点の登録は、先に図３を用いて説明したようにして行われる。
【００２５】
半導体ウェーハ上に形成された半導体メモリは、図４（ａ）に模式的に示すように、同一のパターンの繰り返しで構成されている。本実施例の特異点自動検出に当たっては、前述のようにして予め設定された検査点の位置情報を読み込み（図５、Ｓ３１）、そのうちの一つの検査点に電子顕微鏡の視野を移動し（Ｓ３２）、その検査点の検査画像（２次電子像）１７を電子計算機上に取り込む（Ｓ３３）。いま、検査画像１７中には、図４（ａ）に模式的に図示するように、欠陥１８が存在するものとする。次に、図４（ｂ）に示すように、検査画像を多数の小領域１９に分割する（Ｓ３４）。小領域１９は１個のピクセルで構成されていてもよいし、複数のピクセルによって１つの小領域１９を構成するようにしてもよい。複数のピクセルで１つの小領域を構成する場合、例えばｍ×ｍピクセルで１つの小領域を構成することができるが、小領域の形状は必ずしも正方形である必要はない。また、小領域１９の大きさや形状を半導体メモリのパターン周期と特に関連付けて決める必要もない。各小領域１９は、その小領域の画像濃度（２次電子強度）を任意の階調に分割したグレイレベル値で数量化される（Ｓ３５）。
【００２６】
次に、図４（ｃ）に示すように、検査画像１７を適当な数の小領域１９を含む同じ形状のウィンドウ２０に分割する（Ｓ３６）。そして、設計ルールなど、半導体ウェーハ上に形成されているパターンの繰り返し情報（周期情報）をもとに、図４（ｄ）に示すように、ウィンドウ内で１周期離れた２つの小領域間１９のグレイレベル値の差を計算する。この時、ウィンドウ２０内には２周期以上の繰り返しパターンが含まれていることが好ましい。こうして各ウィンドウ２０において、そのウィンドウ内で互いに１周期離れた小領域間のグレイレベル値の差分の総和を計算する（Ｓ３７）。ステップ３７の処理は、ステップ３８の判定で全てのウィンドウについて処理が終了したと判定されるまで行われる。
【００２７】
もし検査画像１７中に欠陥が存在しなければ、ウィンドウ２０内には１周期ごとに同じ画像、すなわちグレイレベルが同じ値の小領域１９が現れるので、小領域間のグレイレベル値の差分は理想的には０となる。一方、検査画像１７中に欠陥が存在すれば、ウィンドウ２０内で１周期離れた小領域１９のグレイレベルが異なるために、小領域１９間のグレイレベル値の差が増加する。そこで、小領域間のグレイレベル値の差の総和が最も大きいという特徴を示したウィンドウを欠陥のあるウィンドウとみなし、その特異ウィンドウの中心に電子顕微鏡視野中心を移動し（Ｓ３９）、そのウィンドウ全体を撮像できる最適倍率に変更した後、図４（ｅ）に示すように観察処理を行い、画像を保存する（Ｓ４０）。このとき、特異点の大きさ、面積、Ｘ方向の投影長、Ｙ方向の投影長、カテゴリなど特異点についての付帯情報を取得するための情報処理を行い、その結果を画像と共に保存するようにしてもよい。その後、その検査点がステップ３１で読み込まれた最後の検査点かどうかを判定し（Ｓ４１）、検査が終了していない検査点が残っている場合にはステップ３２に戻って次の検査点に視野移動し、同様の処理を行う。
【００２８】
なお、ウィンドウ２０内でグレイレベル値の差分を取る小領域１９間の距離は必ずしも１周期に限定される訳ではなく、ウィンドウ２０のサイズを超えない範囲で２周期、３周期など任意の周期に設定可能である。
本実施例の特異点自動検出方法は、周期を任意に設定することで、未加工の半導体ウェーハの自動検査にも同様に適用可能である。また、検査画像１７は必ずしも２次電子像である必要はなく、反射電子像、反射電子と２次電子の混合画像等であってもよい。
【００２９】
次に、図６を用いて本発明の第３実施例を説明する。この第３実施例は、設計ルールなど半導体ウェーハ上に構成されているパターンの周期情報をもとに検査画像から複数のウィンドウを作成し、自動的に特異点を検出する実施例である。半導体ウェーハの検査すべき検査点は、例えば図３で説明したようにして電子顕微鏡上に設定される。
【００３０】
前記実施例と同様に、ウェーハ上に形成された半導体メモリパターンの検査点での２次電子像を検査画像１７として電子計算機上に取り込み、その検査画像を１個のピクセルあるいは一定数のピクセルからなる多数の小領域１９に分割した後、各小領域１９の２次電子強度を任意の階調に分割したグレイレベル値で数量化する。次に、検査画像１７から任意の周期単位で区切ったウィンドウ３１ａ，３１ｂを複数枚作成する。ウィンドウ３１ａ，３１ｂは同一の周期をもとに作成しているので、各ウィンドウの対応する位置には同じパターンが存在し、差分処理の前にパターンマッチング等位置あわせを行う必要がない。そこで、これらのウィンドウ３１ａ，３１ｂの対応する小領域１９間でグレイレベル値の差分処理を行い、差分の最も大きい小領域を特異点として検出する。その後、検出した特異点に電子顕微鏡視野中心を移動し、観察倍率を最適倍率に変更したのち電子顕微鏡像を取得し、取得した観察画像を電子情報として電子計算機上に保存する。このとき、特異点の大きさ、面積、Ｘ方向の投影長、Ｙ方向の投影長、カテゴリなど特異点についての付帯情報を取得するための情報処理を行い、その結果を画像と共に保存するようにしてもよい。
【００３１】
第３実施例では、２枚のウィンドウ３１ａ，３１ｂの差分処理を行った場合、差分の大きな小領域の箇所を特定することはできるが、特異点（欠陥）がどちらのウィンドウに存在するかを特定することはできない。しかし、１つのウィンドウ内で１周期あるいは数周期離れた対応する小領域間のグレイレベル値の差分の総和を取ることでウィンドウ内の特異点の有無を検出する第２実施例と組み合わせると、小領域間のグレイレベル値の差分の総和が最も大きいという特徴を示しているウィンドウ側に特異点が存在すると判定することができる。このように第３実施例と第２実施例を組み合わせると、特異点（欠陥）の特定のために必要とされるウィンドウ数は最低２枚ですむ。これにより、第２実施例単独の場合よりも高精度に欠陥を画面中心にした画像を取得することが可能である。
【００３２】
第３実施例の検出方法は、周期を任意に設定することで、未加工の半導体ウェーハの自動観察、自動検査にも同様に有効である。また、検査画像は２次電子像である必要はなく、反射電子像、反射電子と２次電子像の混合画像等であってもかまわない。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によると、任意領域の異物や欠陥等の検出あるいは観察から画像保存までを自動で行うことができる。
また、参照画像を用いることなく１枚の検査画像から特異点を検出することにより、試料への電子線の照射、ステージ移動回数の増加を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子顕微鏡の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１実施例による欠陥検出、高分解能観察処理の一例のフローチャート。
【図３】検査点の登録画面の一例を示す図。
【図４】本発明の第２実施例による特異点の自動検出方法を説明する図。
【図５】第２実施例の処理の流れを示すフローチャート。
【図６】本発明の第３実施例による特異点の自動検出方法を説明する図。
【符号の説明】
１…検査点設定手段、２…特異点自動検出手段、３…特異点の情報処理・観察処理手段、４…電子顕微鏡、１７…検査画像、１８…欠陥、１９…小領域、２０…ウィンドウ、３１ａ，３１ｂ…ウィンドウ、３２…ウェーハマップ、３３…検査チップ、３４…非検査チップ、３５…チップ内座標入力エリア、３６…検査点設定歩端、３７…検査点設定ウィンドウ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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