JP5164598B2 - レビュー方法、およびレビュー装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体電子回路基板や液晶表示基板等の薄膜デバイス製造過程で生じた欠陥を、走査型電子顕微鏡等の拡大撮像装置を用いてレビューするためのレビュー方法、およびレビュー装置に関する。

半導体，液晶ディスプレイ，ハードディスク磁気ヘッド等の薄膜デバイスの製造は、多数のプロセスにより構成されている。

これらのパターン加工の工程数は時には数百工程に及ぶ。加工装置の製造条件の不備や異常によって、薄膜デバイス上に異物や配線パターンの断線などの外観異常が発生した場合、製品に不良が発生する確率が高くなり、歩留りを下げてしまうことになる。そこで、問題の発生した装置を特定し、対策を施すことが歩留り維持および向上に重要となる。そのため、主要なプロセスごとに異物検査や外観検査等の検査が実施され、加工が正常に行われているか監視が行われる。このとき、加工プロセスごとに全ての被処理基板の検査を実施するのは時間と手間の制約から不可能であるため、通常はいくつかの一連の工程ごとに、ロット単位、あるいは被処理基板単位、あるいはその組み合わせによりサンプリングされた被処理基板に対して検査が実施される。ここで、被処理基板とは製品加工を行う最小単位を意味し、半導体であればウェハ１枚を指す。

検査装置においては、異物検査をする場合は、例えばウェハ表面をレーザでスキャンし、散乱光の有無を検出することで異物の位置，数の情報を得る。また、異物とパターン異常の両方を検出する欠陥検査をする場合は、例えば光学式の拡大撮像装置によりウェハの回路パターンの画像を取り込み、近傍の他の同一パターン領域の画像と比較することにより、特異点の位置，個数等に関する情報を得る。ここで、「特異点」とは、検査装置の検査により異常が発見された点として出力された点のことを指す。異物と外観異常とを合わせ、以降、「欠陥」と表記する。

装置異常の判定は、検査装置により検出される欠陥の個数や密度を管理指標として行われることが多い。欠陥の個数や密度が予め設定された基準値を越えると装置に異常が発生していると判定し、欠陥を検査装置により検出された欠陥座標情報に基づき光学顕微鏡、あるいは走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下ＳＥＭとよぶ）などを応用したレビュー装置により拡大撮像し、欠陥の大きさ，形状，テクスチャ等の詳細情報を得たり、元素分析，断面観察等の詳細検査を行い、不具合の発生した装置や不具合内容を特定する。そして、その結果に基づき、装置やプロセスの対策を行い、製造歩留りの低下を防ぐ。近年は、検査対象パターンの微細化や微細異物の検出ニーズから、ＳＥＭ式のレビュー装置の重要性が高まってきている。

ＳＥＭ式レビュー装置におけるレビューの作業を自動化，効率化するために、異物検査装置や外観検査装置からの検査データを基に、自動的に異物ないし欠陥の拡大画像を取得する機能（Automatic Defect Review、以下ＡＤＲとよぶ）を有するレビュー装置が開発されており、その装置が特許文献１に開示されている。また、特許文献２には、取得した画像を特定のルールに従って自動分類（Automatic Defect Classification、以下ＡＤＣとよぶ）を行う手法が開示されている。

検査装置の欠陥データを用いて、ＳＥＭ式レビュー装置で欠陥を拡大して撮像する際、焦点位置合せが行われる。焦点位置合せは、例えば次のようにして行われる。
（１）焦点位置の異なる画像を複数枚取得する。
（２）取得したそれぞれの画像において、焦点の合い具合を定量化した指標である焦点測度を算出する。
（３）焦点測度が合焦位置に近いほど大きくなるよう定義されている場合は焦点測度が極大、その逆の場合は焦点測度が極小となる焦点位置を推定する。
（４）上記（３）にて推定した焦点位置に設定する。

焦点測度としては、例えば、画像に微分オペレータを適用し、その出力の絶対値を積分した量などがある。この場合は合焦位置に近いほど微分オペレータの出力値が大きくなるため、焦点測度の値も合焦位置に近いほど大きくなることになる。焦点位置合せを行う場合、一般的に、合焦位置を見つけるための探索範囲を設定する必要がある。

観察対象の材質や構造によって、電子ビームを照射することで、観察対象の表面に帯電現象が生じてしまうことがあり、電子ビームを再び照射する場合に、電子ビームが影響を受けて、合焦位置がずれてしまうことがある。また、観察対象の高さの変動が大きいと、焦点深度が浅い電子ビームの焦点合わせが困難である。このような原因で合焦位置がずれ、探索範囲に合焦位置が含まれなかった場合、合焦位置の正確な推定が困難になってしまう。そのため、合焦位置特定の安定性の観点からは、合焦位置探索範囲は広いほうが望ましい。一方、焦点合わせに要する時間短縮の観点から、合焦位置探索範囲はできるだけ狭いほうが望ましい。ユーザはこれらの状況を勘案して合焦探索範囲を設定する必要があり、妥当な設定を見出すのに試行を繰り返す必要があった。

合焦探索範囲を狭める方法として、予め、観察対象の複数の位置で焦点合わせを行い、その合焦位置からフォーカスの合う曲面を推定し、その曲面をフォーカス探索の基準点とするフォーカスマップを用いた手法が特許文献３に開示されている。しかし、特許文献３においては、合焦位置の探索範囲については開示されていない。

特開２０００−３０６５２号公報 特開平７−２０１９４６号公報 特開２００５−２８５７４６号公報

本発明の目的は、電子ビームの合焦範囲設定に要するユーザの工数を低減し、作業者のスキルによらずに試料の観察を容易に行うことが可能となるレビュー方法、およびレビュー装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の実施態様は、観察対象の座標上に予め登録された複数個の座標位置について焦点合わせを行い、座標位置における各焦点位置に基づいて焦点合わせの基準を作成し、該基準と前記焦点位置との間のずれ量に基づいて焦点探索範囲を設定し、観察対象の欠陥検出の自動焦点合わせの範囲を、設定された焦点探索範囲に基づいて決定するものである。

本発明により、合焦範囲設定に要するユーザの工数を低減することができ、試料の観察を容易に行うことが可能となる。

欠陥レビュー装置による観察対象を半導体ウェハとした場合を例にとり、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、半導体ウェハの製造ラインの一部における装置の接続を示すシステム構成図である。半導体ウェハの製造ラインは、図１に示すように、半導体ウェハの製造装置２や検査装置３，レビュー装置４，解析装置５，レビュー解析装置６がデータ管理サーバ１とネットワーク７によって相互に接続された構成をなしている。

製造装置２は、露光装置やエッチング装置などの半導体ウェハの製造に用いられる装置である。検査装置３は、製造装置２で加工された半導体ウェハに欠陥が発生したか否か、異物があるか否かを検査し、欠陥や異物の位置を検出する装置であって、検出方法には、半導体ウェハ上に光のビームスポットをスキャンさせ、その乱反射の度合いから欠陥位置を特定する方法，形成されているパターンの画像を２つのチップからそれぞれ取得し、これら画像を比較して相違する部分を欠陥とし、その欠陥位置を検出する方法が知られている。検査装置３で検出した欠陥の座標などの検査情報がレビュー装置４へネットワーク７を介して送られる。

レビュー装置４は、検査装置３の検査情報に基づいて欠陥を観察するものであって、半導体ウェハを搭載したステージを移動させ、検査装置３から出力される欠陥位置情報に基づいてこの半導体ウェハ上の対象とする欠陥の位置決めをし、欠陥の観察を行う。観察には、光学式顕微鏡で撮像する方法と、電子顕微鏡で撮像する方法とがあり、本実施例では、走査型電子顕微鏡ＳＥＭを用いた例を示す。解析装置５は、例えばＸ線を検出するＥＤＸや、オージェ電子分光法を用いて元素分析を行うものである。オージェ電子分光法は、電子線を対象に照射したときに対象から放出されるオージェ電子を検出し解析する方法である。レビュー解析装置６は、欠陥の観察と元素分析とを一台の装置で行うことができるようにした装置である。解析装置５、あるいはレビュー解析装置６も、検査装置３から出力される欠陥位置情報に基づいて欠陥の位置決めをし、レビューや解析を行うことができる。

なお、図１の事例では、それぞれの装置をその機能別に記載したが、一台の装置に様々な機能を持たせるようにしてもよい。例えば、製造装置２に検査装置３の機能を付加させたり、検査装置３とレビュー装置４とを一体にしてそれぞれの機能を有する装置としてもよい。

データ管理サーバ１は、これらの検査装置３，レビュー装置４，解析装置５，レビュー解析装置６で得られたデータを管理する装置であり、レビュー装置４や解析装置５は、データ管理サーバ１を介して検査装置３から出力された欠陥位置座標などの情報を取得することができる。なお、データ管理サーバ１の全部の機能あるいは一部の機能を、例えばレビュー装置４にもたせることも可能である。

また、図１では、それぞれの装置がネットワーク７を介して接続され、データの交換を行うようにしているが、必ずしもネットワーク７を介する必要はなく、それぞれの装置間でデータの授受ができるように接続されているものであってもよい。

図２は、ＳＥＭ式レビュー装置の概略構成を示す縦断面図である。レビューの対象となる半導体ウェハＷＦは、ＸＹＺステージ１５に搭載される。ＸＹＺステージ１５は、マイクロプロセッサを有する全体制御部１９から送られる制御信号に基づいて、ステージ制御部２３によりＸ方向、またはＹ方向に移動制御される。ＸＹＺステージ１５は、高さ方向にも制御することができる。ＳＥＭを応用した撮像装置８は、ＸＹＺステージ１５に固定された半導体ウェハＷＦを拡大して撮像する。

撮像装置８の電子ビームＥＢの発生源である電子源９には、高電圧安定化電源２４から一定に制御された電圧が印加される。電子源９から発射された電子ビームＥＢは、第１コンデンサレンズ１０，第２コンデンサレンズ１１，第１対物レンズ１３，第２対物レンズ１４によって収束されて細く絞られるとともに、偏向走査用コイル１２によって半導体ウェハＷＦ上をスキャンされる。測定対象の半導体ウェハＷＦへの電子ビームＥＢの照射によって、半導体ウェハＷＦから二次電子や反射電子等の二次信号が発生し、この二次信号が信号検出器２５で検出され、アナログ信号をディジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換部２１で処理され、マイクロプロセッサを有する画像演算部２０で半導体ウェハＷＦのＳＥＭ像の生成や欠陥検出処理などの画像処理が行われ、全体制御部１９を介してディスプレイ１７に表示される。全体制御部１９には記憶装置１６が接続され、ＳＥＭ像や付随するデータが記憶される。レビュー装置を使用するユーザは、入力装置１８を用いて、欠陥観察の条件等の入力項目を入力する。全体制御部１９では、入力項目と予め記憶された制御プログラムに従って、電子光学系制御部２２を介して撮像装置８の上述した各機器の制御が行われる。

半導体ウェハＷＦの欠陥座標データは、図１に示した検査装置３からネットワーク７を介して全体制御部１９に送られる。全体制御部１９では、送られた欠陥座標データに基づいて、欠陥が撮像装置８の視野に入るようにステージ制御部２３にステージ移動命令を送り、ＸＹＺステージ１５が移動される。

ＳＥＭは焦点深度が浅いので、欠陥を撮像するためには、欠陥の高さ位置の測定と電子ビームＥＢの焦点の制御が重要である。撮像装置８には表面高さ検出部２７が設けられ、ＳＥＭの観察視野の高さを検出し、その出力に応じて第１対物レンズ１３および第２対物レンズ１４の励磁強度が制御され、電子ビームＥＢの焦点位置が観察視野の高さに合うように制御される。電子ビームＥＢの焦点合わせでは、必要に応じ、第１コンデンサレンズ１０と第２コンデンサレンズ１１が制御されることもある。ＳＥＭ像の撮像の前にこの焦点合わせが行われるので、半導体ウェハＷＦの形状歪み等による観察位置による高さ変動をキャンセルすることができる。表面高さ検出部２７による観察視野の高さ位置の測定精度は、電子ビームＥＢの焦点深度と比べて粗いので、実際にＳＥＭ画像を撮像して焦点合わせの結果を確認し、必要であれば再度、電子ビームＥＢの焦点位置を変更する。全体制御部１９に設けられた合焦位置解析演算部２６で焦点合わせの解析が実行され、その結果がディスプレイ１７へ表示される。本実施例では、合焦位置解析演算部２６をレビュー装置４の全体制御部１９に設けたが、データ管理サーバ１の一機能としてもよい。

図３は、合焦位置解析演算部２６で焦点探索範囲を設定する手順を説明するフローチャートである。観察対象の半導体ウェハを撮像装置８へロードし（ＳＴＥＰ１００）、ＳＥＭの座標系と半導体ウェハの座標系の間の誤差修正を行うためのウェハアライメントを行う（ＳＴＥＰ１０１）。ウェハアライメントは、例えば、半導体ウェハに形成されている半導体パターンのうち、半導体ウェハ内の位置が既知であって、その近傍に同様のパターンのない特徴的なパターンを、半導体ウェハの複数の座標位置においてユーザが指定し、このパターンを撮像してＸＹＺステージ１５の位置から対象パターンのＳＥＭの座標を決定し、検査装置３から送られた半導体ウェハの座標との間の誤差を求める。これによれば、半導体ウェハが撮像装置８へロードされたときに生じる座標の回転のずれも補正することができる。

次に、予め決められた座標位置のうちのひとつで電子ビームＥＢの焦点合わせを実施し、この座標位置と合焦位置のデータを取得する（ＳＴＥＰ１０２）。焦点合わせを行う座標位置は、全体制御部１９で実行される制御プログラムで予め登録されているか、または、図１に示した入力装置１８からユーザが登録する。

図４は、焦点合わせ用座標位置の登録の例を示す半導体ウェハの平面図である。登録位置は、半導体ウェハの全体に広がるように決め、局所的に集中しないように設定する。登録位置は、ユーザが任意の場所を登録できるようにしてもよく、また、例えば登録位置の数を指定することで自動的にその数の座標位置を登録位置として設定するようにしてもよい。

図３へ戻り、焦点合わせを未だ実施していない登録位置の有無を判定する（ＳＴＥＰ１０３）。焦点合わせを実施していない登録位置がある場合は、この登録位置で焦点合わせができるように半導体ウェハＷＦを移動させ（ＳＴＥＰ１０４）、ＳＴＥＰ１０２とＳＴＥＰ１０３を繰り返し実施する。

ＳＴＥＰ１０３で焦点合わせが未実施の登録位置がないと判定された場合は、得られた登録位置と合焦位置のデータから焦点補正曲面を設定する（ＳＴＥＰ１０５）。焦点補正曲面は、半導体ウェハ面に水平な座標軸である２次元座標軸に登録位置の座標を設定し、半導体ウェハ面に垂直な軸である１次元座標軸に焦点位置を設定した３次元座標軸上の曲面であって、登録位置と合焦位置のデータから関数近似により作成される。関数近似では、ひとつの登録位置における合焦位置の実測値と関数による値との差が最小になるように行う。この差は、次のステップのずれ量として定義される。そして、実際の欠陥の自動焦点合わせにおいては、この焦点補正曲面を使用して焦点位置を補正する。

次に、登録位置における焦点位置の実測値の焦点補正曲面からのずれ量を算出する（ＳＴＥＰ１０６）。図５は、図４に示した半導体ウェハの平面図を２次元座標軸としたときの、断面Ａ−Ａにおける焦点位置と焦点補正曲面との関係を示す関係図である。例えば、図５に示すように、焦点補正曲面の値から、半導体ウェハの中心部から外周部へいくに従って、焦点の補正量が大きくなっていることがわかる。ずれ量Δｄｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、図５に示すように定義され、各登録位置ごとに算出される。ここで、ｎは合焦位置を取得した点の番号を表す。

次に、焦点探索範囲を設定する（ＳＴＥＰ１０７）。焦点探索範囲とは、検査装置３から送られた欠陥を撮像するときに、その欠陥の座標における電子ビームＥＢの自動焦点合わせを行う際の、焦点位置の上限と下限の範囲であり、できるだけ小さい程、焦点合わせが早く終了できる。この焦点探索範囲を、ＳＴＥＰ１０６にて算出したずれ量Δｄｉに基づいて設定する。

焦点探索範囲をＢ、Ｍａｘ（ ）を（ ）内の最大値とすると、次式のように定義できる。

Ｂ＝２×Ｍａｘ（｜Δｄｉ｜） 数１
あるいは、Δｄｉの標準偏差を組み合わせて、次式のように定義してもよい。

Ｂ＝２×（ｋ×√(Σ(Δｄｉ−ＡＶＥ(Δｄ))²／(ｎ−１))＋ＡＶＥ(Δｄ)）
数２
ここで、ＡＶＥ（Δｄｉ）はΔｄｉの平均値、ｎは欠陥の登録位置の数、ｋは任意の定数である。以上の算出式は例であり、他の算出式で焦点探索範囲を定義してもよい。

焦点探索範囲は、半導体ウェハ面内を複数の領域に分割し、その領域ごとに焦点探索範囲の定義式を設定し、焦点探索範囲を設定するようにしてもよい。図６は、図５と同じく、図４の断面Ａ−Ａにおける焦点位置と焦点補正曲面との関係を示す関係図、図７は、焦点合わせ用座標位置の登録例を示す半導体ウェハの平面図である。図６に示すように、半導体ウェハ面内の中央付近の領域では、登録位置の焦点補正曲面からのずれ量は小さいが、外周の領域ではずれ量が大きいという事例の場合には、図７に示すように、半導体ウェハ面を同心円状にエリアＡとエリアＢの二つの領域に分け、それぞれで焦点探索範囲を設定するようにしてもよい。この場合、エリアＢの焦点探索範囲をエリアＡの焦点探索範囲よりも大きく設定する。

図８は、図２に示したディスプレイ１７に表示される自動焦点合わせのパラメータの設定画面の一例を示す画面図である。画面の左上に自動焦点合わせの設定画面であることを示す「ＡＦ設定」の文字が表示される。また、画面表示領域の上側に、焦点探索範囲を規定するパラメータであることを示す「Ｒａｎｇｅ」の文字が、下側に、焦点探索時間と焦点探索精度のバランスを変えるパラメータであることを示す「Ｍｏｄｅ」の文字が表示される。

焦点探索範囲を規定するパラメータである「Ｒａｎｇｅ」の設定例として、実際の値を示す数字にはあまり意味がなく、例えば、範囲が狭い「Ｎａｒｒｏｗ」、範囲が広い「Ｗｉｄｅ」、中間の「Ｎｏｒｍａｌ」の３段階の選択ができるようにすると、使い勝手がよい。そして、通常起こり得る固定値を焦点探索範囲として予め設定しておき、中間の「Ｎｏｒｍａｌ」の場合にはこの値が設定される。「Ｎａｒｒｏｗ」の場合には、中間の「Ｎｏｒｍａｌ」の場合の値よりも小さな固定値を予め設定しておき、この値が設定される。「Ｗｉｄｅ」の場合には、中間の「Ｎｏｒｍａｌ」の場合の値より大きな固定値を予め設定しておき、この値が設定される。さらに、「Ａｕｔｏ」を選択できるようにしておき、これが選択されると、前述の数１または数２に示した焦点探索範囲の定義式に基づいて焦点探索範囲が設定されるようにする。

焦点探索精度と焦点探索時間のバランスを変えるパラメータである「Ｍｏｄｅ」の設定例として、焦点探索精度優先の「Ｆｉｎｅ」、焦点探索時間優先の「Ｆａｓｔ」、中間の「Ｎｏｒｍａｌ」のいずれかを選択できるようにする。焦点探索の精度を高めるには、焦点が合ったと判断する閾値を狭く変更したり、ひとつの座標位置についての自動焦点合わせの回数の制限を高く設定したりすることで、実現できる。焦点探索の時間を短くするには、焦点が合ったと判断する閾値を広く変更したり、ひとつの座標位置についての自動焦点合わせの回数の制限を低く設定したりすることで、実現できる。

以上述べたように、本発明の実施態様では、欠陥を探索する際の自動焦点合わせを、予め登録された複数個の座標位置の焦点位置から作成した焦点補正曲面で焦点位置を補正する構成とし、さらに、焦点探索範囲を容易に設定できる画面を用意した。その結果、電子ビームの自動焦点合わせの設定に要するユーザの工数を低減し、試料を容易に観察できるようになる電子顕微鏡を用いた欠陥のレビュー方法、および欠陥のレビュー装置を提供することができる。

なお、上記実施態様では、レビューのための拡大撮像装置としてＳＥＭを用いた場合で説明したが、拡大撮像装置として、可視光を用いた光学顕微鏡や、紫外光を用いた顕微鏡でもよい。使用するエネルギの種類，エネルギの強さ，可視化する方式によらず、拡大して撮像できる機能を有する装置であれば、同様の機能と効果を得ることができる。

半導体ウェハの製造ラインの一部における装置の接続を示すシステム構成図。 ＳＥＭ式レビュー装置の概略構成を示す縦断面図。 焦点探索範囲を設定する手順を説明するフローチャート。 焦点合わせ用座標位置の登録例を示す半導体ウェハの平面図。 図４の断面Ａ−Ａにおける焦点位置と焦点補正曲面との関係を示す関係図。 図４の断面Ａ−Ａにおける焦点位置と焦点補正曲面との関係を示す関係図。 焦点合わせ用座標位置の登録例を示す半導体ウェハの平面図。 自動焦点合わせのパラメータの設定画面の一例を示す画面図。

符号の説明

１ データ管理サーバ
２ 製造装置
３ 検査装置
４ レビュー装置
５ 解析装置
６ レビュー解析装置
７ ネットワーク
８ 撮像装置
１６ 記憶装置
１７ ディスプレイ
１８ 入力装置
１９ 全体制御部
２０ 画像演算部
２６ 合焦位置解析演算部
２７ 表面高さ検出部

Claims (7)

1. 観察対象の欠陥を検出するレビュー方法において、
   前記観察対象の座標上に予め登録された複数個の座標位置について焦点合わせを行い、
   前記座標位置における各焦点位置から関数近似により焦点補正曲面を作成し、
   前記焦点補正曲面と前記焦点位置との間のずれ量に基づいて焦点探索範囲を設定し、
   前記観察対象の欠陥検出の自動焦点合わせの範囲を、設定された前記焦点探索範囲に基づいて決定することを特徴とするレビュー方法。
2. 請求項１の記載において、
   前記焦点補正曲面は、前記座標位置を前記観察対象の平面に関する２次元軸、前記焦点位置を前記平面に垂直な１次元軸とした３次元軸で表される曲面であることを特徴とするレビュー方法。
3. 請求項１の記載において、
   前記自動焦点合わせの範囲は、設定された前記焦点探索範囲に基づいて決定された値と、予め設定された固定値とから選択可能であることを特徴とするレビュー方法。
4. 観察対象の欠陥を検出するレビュー装置において、
   電子源から発生した電子ビームを集束する対物レンズと、
   前記自動焦点合わせ時の焦点位置を算出する合焦位置解析演算部と、を備え、
   前記合焦位置解析演算部は、
   前記観察対象の座標上に予め登録された複数個の座標位置について焦点合わせを行い、
   前記座標位置における各焦点位置から関数近似により焦点補正曲面を作成し、
   前記焦点補正曲面と前記焦点位置との間のずれ量に基づいて焦点探索範囲を設定し、
   前記観察対象の欠陥検出の自動焦点合わせの範囲を、設定された前記焦点探索範囲に基づいて決定することを特徴とするレビュー装置。
5. 請求項４の記載において、前記焦点探索範囲は予め設定された固定値であることを特徴とするレビュー装置。
6. 請求項４の記載において、
   前記焦点補正曲面は、前記座標位置を前記観察対象の平面に関する２次元軸、前記焦点位置を前記平面に垂直な１次元軸とした３次元軸で表される曲面であることを特徴とするレビュー装置。
7. 請求項４の記載において、
   前記自動焦点合わせの範囲は、設定された前記焦点探索範囲に基づいて決定された値と、予め設定された固定値とから選択可能であることを特徴とするレビュー装置。

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