JP2016139467A - 試料観察方法および試料観察装置 - Google Patents

試料観察方法および試料観察装置 Download PDF

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Abstract

【課題】
試料観察方法において、複数の検出器で検出された複数の画像について、欠陥部位や回路パターンの視認性を考慮して、複数の画像を混合(合成)するときの重み係数を自動調整し混合して混合画像を生成することを可能とする。
【解決手段】
荷電粒子顕微鏡を用いて試料を観察する方法において、荷電粒子ビームを試料上に照射して走査することにより試料から発生する二次電子又は反射電子を試料に対して異なる位置に配置した複数の検出器で検出し、異なる位置に配置した複数の検出器ごとに二次電子又は反射電子を検出して得た複数の検出器ごとの試料の複数の画像を混合して混合画像を生成し、生成した混合画像を画面上に表示するようにした。
【選択図】 図６

Description

本発明は半導体ウェハの製造中において生じる欠陥や回路パターンを観察する方法およびその装置に関するものであって、より詳細には荷電粒子顕微鏡に備えられた複数の検出器から得られた画像を用いて欠陥や回路パターンの視認性が高い画像を出力する方法および手段を備えた装置に関するものである。
半導体ウェハの製造では、製造プロセスを迅速に立ち上げ、高歩留まりの量産体制に早期に移行させることが、収益確保のため重要である。この目的のため、製造ラインには各種の検査・計測装置が導入されている。
代表的な検査装置としては、光学式のウェハ検査装置がある。例えば、特開２０００−１０５２０３号公報（特許文献１）には、明視野照明により、ウェハ表面の光学画像を撮像し、良品部位の画像（例えば隣接チップの画像）との比較により欠陥を検査する技術が開示されている。ただし、このような光学検査装置は、その照明波長の影響を受け、取得画像の分解能限界は数百ナノメートル程度となる。よって、ウェハ上における数十ナノメートルオーダの欠陥に関しては、その有無を検出できるのみであり、詳細な欠陥解析を行う場合は、別途より撮像分解能の高い欠陥観察装置などが必要になる。
欠陥観察装置とは、検査装置の出力を用いてウェハ上の欠陥位置を高解像度に撮像し、画像を出力する装置であり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いた観察装置(以下、レビューＳＥＭと記載)が広く使われている。半導体の量産ラインでは観察作業の自動化が望まれており、レビューＳＥＭは試料内の欠陥位置における画像を自動収集する欠陥画像自動収集処理(ＡＤＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｅｆｅｃｔ Ｒｅｖｉｅｗ)を搭載している。なお、検査装置が出力した欠陥位置座標（試料上の欠陥の位置を示した座標情報）には誤差が含まれているため、ＡＤＲでは検査装置が出力した欠陥位置座標を中心に視野広く撮像した画像から、欠陥を再検出し、再検出した欠陥位置を高倍率で撮像し観察用画像を得る機能を備えている。
ＳＥＭ画像からの欠陥検出方法として、欠陥部位と同一の回路パターンが形成されている領域を撮像した画像を参照画像とし、欠陥部位を撮像した画像と参照画像を比較することで欠陥を検出する方法が特開２００１−１８９３５８号公報（特許文献２）に記載されている。また、欠陥部位を撮像した画像１枚から欠陥を検出する方法が特開２００７−４０９１０号公報（特許文献３）に記載されている。また、撮像画像から回路パターン領域を認識する方法が特開２０１３−１６８５９５号公報（特許文献７）に記載されている。
半導体ウェハ上に形成される回路パターンの構造の種類は多数あり、発生する欠陥も種類や発生位置など様々なものがある。様々な構造の回路パターンや各種欠陥の視認性を高めるためには、試料から放出された放出角度や放出エネルギーが異なる電子を複数の検出器で検出することが有効である。例えば、特開２０１２−１８６１７７号公報（特許文献４）には試料から生じた電子について放出された仰角および方位角で弁別して検出することで対象の凹凸情報を把握可能なことが記載されている。また、特開平１−３０４６４７号公報（特許文献５）には各方位に放出された反射電子を分割して配置した複数の検出器を用いて検出する方法が記載されている。また、特開２０１３−２３２４３５号公報（特許文献６）には複数の検出器から得られた検出器画像を合成することにより多層レイヤにおける下層パターンのコントラストを向上する方法が開示されている。
特開２０００−１０５２０３号公報 特開２００１−１８９３５８号公報 特開２００７−４０９１０号公報 特開２０１２−１８６１７７号公報 特開平１−３０４６４７号公報 特開２０１３−２３２４３５号公報 特開２０１３−１６８５９５号公報
前述の様に様々な構造の回路パターンや各種欠陥の視認性を高めるためには、試料で生じた放出角度や放出エネルギーが異なる様々な電子を多数の検出器で検出することが有効である。しかし、検出器の数が増加すると欠陥観察のために目視する画像枚数が増えユーザの負荷が増大する。そこで、得られた複数枚の検出器画像を混合して欠陥および回路パターンの視認性が高い画像を出力することが必要である。特にＡＤＲにおいては対象の欠陥ごと撮像される欠陥種や周辺の回路パターン構造が異なるため、欠陥点ごとに合成方法を自動で最適化する必要がある。
特許文献５にはビームスキャン方向に応じて混合時の重み係数を自動調整する方法が開示されているが、欠陥部位や回路パターンの視認性を考慮して自動調整する方法については記載されていない。また、特許文献６には設計情報から得られた回路パターンのエッジ方向に応じて混合時の重み係数を自動調整する方法が記載されているが、欠陥部位の視認性を考慮した自動調整方法については記載されていない。
本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、複数の検出器で検出された複数の画像について、欠陥部位や回路パターンの視認性を考慮して、複数の画像を混合(合成)するときの重み係数を自動調整し混合して混合画像を生成することを可能とする試料観察方法及び試料観察装置を提供するものである。
上記した課題を解決するために、本発明では、荷電粒子顕微鏡を用いて試料を観察する方法において、荷電粒子ビームを試料上に照射して走査することにより試料から発生する二次電子又は反射電子を試料に対して異なる位置に配置した複数の検出器で検出し、異なる位置に配置した複数の検出器ごとに二次電子又は反射電子を検出して得た複数の検出器ごとの試料の複数の画像を混合して混合画像を生成し、生成した混合画像を画面上に表示するようにした。
また、上記課題を解決するために、本発明では、荷電粒子顕微鏡を用いて試料を観察する方法において、荷電粒子ビームを試料上の第１の領域に照射して走査することにより第１の領域から発生する二次電子又は反射電子を試料に対して異なる位置に配置した複数の検出器で検出し、異なる位置に配置した複数の検出器ごとに二次電子又は反射電子を検出して得た信号から複数の検出器ごとの第１の領域の複数の画像を作成し、作成した複数の検出器ごとの第１の領域の複数の画像それぞれの重みづけとなる混合パラメータを算出し、荷電粒子ビームを試料上の第１の領域の内部の第２の領域に照射して走査することにより第２の領域から発生する二次電子又は反射電子を試料に対して異なる位置に配置した複数の検出器で検出し、異なる位置に配置した複数の検出器ごとに二次電子又は反射電子を検出して得た信号から第１の領域の複数の画像よりも高倍率の複数の検出器ごとの第２の領域の複数の画像を作成し、作成した第２の領域の複数の画像を算出した混合パラメータを用いて混合して高倍率の混合画像を生成し、この生成した高倍率の混合画像を画面上に表示するようにした。
更に、上記課題を解決するために、本発明では、荷電粒子顕微鏡を用いて試料を観察する装置を、荷電粒子ビームを試料上に照射して走査することにより試料から発生する二次電子又は反射電子を試料に対して異なる位置に配置した複数の検出器で検出する複数の検出器を備えた荷電粒子顕微鏡と、荷電粒子顕微鏡の異なる位置に配置した複数の検出器ごとに二次電子又は反射電子を検出して得た信号から複数の検出器ごとの試料の画像を作成する画像作成部と、画像作成部で作成した複数の検出器ごとの試料の画像を混合して混合画像を作成する混合画像作成部と、混合画像作成部で作成した混合画像を表示する表示部とを備えて構成した。
本発明によれば、複数の検出器を備える欠陥観察装置において、欠陥および回路パターンの視認性が高い画像を出力することが可能となり、ユーザによる画像目視作業の負荷を軽減することが可能となった。
また、本発明によれば、複数の検出器で検出された複数の画像について欠陥部位や回路パターンの視認性が考慮されて、複数の画像を混合(合成)するときの重み係数を自動調整し混合して混合画像を生成することが可能となり、ユーザによる画像目視作業の負荷を軽減することが可能となった。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１に係る試料観察装置の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る試料観察装置の制御部および記憶部、演算部の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る試料観察装置の検出器の配置例を示したステージ周辺の斜視図である。 本発明の実施例１に係る試料観察装置の検出器の配置例を示した検出器を含むステージ周辺の平面図である。 本発明の実施例１に係る試料観察装置の検出器の配置例を示した検出器を含むステージ周辺の正面図である。 本発明の実施例１に係る試料観察装置において凸状のパターンが形成された試料の表面を電子ビームで走査したときの二次電子や反射電子の放出角度と検出器との位置関係を示す断面図と各検出器から出力される検出信号パターンをグラフ表示した図である。 本発明の実施例１に係る試料観察装置において凸状のパターンが形成された試料の表面と検出器の位置関係を示す平面図と、この試料表面を電子ビームで走査したときの各検出器から出力される検出信号パターンをグラフ表示した図である。 本発明の実施例１に係る観察処理に係るメインフローを示すフロー図である。 本発明の実施例１に係る混合画像生成処理のフロー図である。 本発明の実施例１に係る欠陥情報抽出処理のフロー図である。 本発明の実施例１に係る各検出器に対応する差画像の画素値分布の例を示した分布図である。 本発明の実施例１に係る欠陥情報抽出処理のフロー図である。 本発明の実施例１に係る外観特徴条件と重み係数の対応表の例を示した図である。 本発明の実施例１に係る重み係数を画像上にオーバーレイ表示した例で、重み計数を文字情報で表示した例を示す画面の正面図である。 本発明の実施例１に係る重み係数を画像上にオーバーレイ表示した例で、重み計数をレーダーチャートで表示した例を示す画面の正面図である。 本発明の実施例１に係る重み係数を画像上にオーバーレイ表示した例で、重み計数を棒グラフで表示した例を示す画面の正面図である。 本発明の実施例２に係る混合画像生成処理のフロー図である。 本発明の実施例２に係る検出器画像である。 本発明の実施例２に係る検出器画像を複数領域に弁別した結果を示す図である。 本発明の実施例２に係る各領域について算出した混合パラメータの例を示す表である。 本発明の実施例３に係るＡＤＲの処理の流れを示すフロー図である。 本発明の実施例１に係る画像混合処理部で行う画像混合処理の入力画像と出力画像との関係を表した図である。
本発明は、複数の検出器を備える欠陥観察装置において、欠陥および回路パターンの視認性が高い画像を出力することを可能にし、ユーザによる画像目視作業の負荷を軽減するようにしたものである。
また、本発明は、複数の検出器で検出された複数の画像について欠陥部位や回路パターンの視認性を考慮して、複数の画像を混合(合成)するときの重み係数を自動調整し混合(合成)して混合画像(合成画像)を生成することを可能にし、ユーザによる画像目視作業の負荷を軽減するようにしたものである。
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。下記に説明する実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明するものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
以下に、本発明に関わる欠陥観察装置について説明する。本実施例では走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を備えた観察装置を対象に説明するが、本発明に関わる撮像装置はＳＥＭ以外でも良く、イオンなどの荷電粒子を用いた撮像装置でも良い。
図１は本発明にかかる装置の全体構成を表しており、画像の撮像を行うＳＥＭ１０１と、全体の制御を行う制御部１０２、磁気ディスクや半導体メモリなどに情報を記憶する記憶部１０３、プログラムに従い演算を行う演算部１０４、装置に接続された外部の記憶媒体との情報の入出力を行う外部記憶媒体入出力部１０５、ユーザとの情報の入出力を制御するユーザインターフェース部１０６、ネットワークを介して他の装置などと通信を行うネットワークインターフェース部１０７からなる。また、ユーザインターフェース部１０６には、キーボードやマウス、ディスプレイなどから構成される入出力端末１１３が接続されている。
ＳＥＭ１０１は、試料ウェハ１０８を搭載する可動ステージ１０９、試料ウェハ１０８に電子ビーム(一次電子ビーム)１１０１を照射するため電子源１１０、試料ウェハから発生した二次電子や反射電子などを検出する検出器１１１の他、電子ビームを試料上に収束させる電子レンズ（図示せず）や、電子ビームを試料ウェハ上で走査するための偏向器（図示せず）や、検出器１１１からの信号をデジタル変換してデジタル画像を生成する画像化部１１２等を備えて構成される。なお、これらはバス１１４を介して接続され、相互に情報をやり取りすることが可能である。
図２に制御部１０２、記憶部１０３、演算部１０４の構成を示す。
制御部１０２は試料ウェハ１０８の搬送を制御するウェハ搬送制御部２０１、ステージの制御を行うステージ制御部２０２、電子ビームの照射位置を制御するビームシフト制御部２０３、電子ビームの走査を制御するビームスキャン制御部２０４を備える。
記憶部１０３は、取得された画像データを記憶する画像記憶部２０５、撮像条件（例えば、一次電子ビーム１１０１の加速電圧や検出器１１１のプローブ電流、撮像して得た画像の加算フレーム数、撮像視野サイズなど）や処理パラメータなどを記憶するレシピ記憶部２０６、撮像箇所の座標を記憶する座標記憶部２０７を備える。また、演算結果などを一時的に記憶するメモリ領域(図示せず)を備える。
演算部１０４は検出器画像から欠陥情報を抽出する欠陥情報抽出部２０８、２枚の画像の差を算出する差画像算出部２０９、差分値の分布情報を算出する差分値分布情報算出部２１０、画像の混合比や混合方法などを決定する混合パラメータ算出部２１１、決定された画像の混合比の情報を用いて各検出器で検出された検出器画像を混合する画像混合処理部２１２、混合処理された画像における欠陥領域を認識する欠陥領域認識部２１３、混合処理された画像における回路パターン領域を認識する回路パターン領域認識部２１４を備える。なお、欠陥情報抽出部２０８、差画像算出部２０９、差分値分布情報算出部２１０、混合パラメータ算出部２１１は各演算を行うように設計されたハードウェアとして構成されても良いほか、ソフトウェアとして実装され汎用的な演算装置（例えばＣＰＵやＧＰＵなど）を用いて実行されるように構成しても良い。
指定された座標の画像を取得するための方法を説明する。
まず、計測対象となるウェハ１０８は、ウェハ搬送制御部２０１で制御されたロボットアーム(図示せず)によりステージ１０９の上に設置される。つぎに、撮像視野が電子ビーム１１０１の照射範囲内に含まれるようにステージ制御部２０２によりステージ１０９が移動される。この時、ステージの移動誤差を吸収するため、図示していない手段でステージ位置の計測が行われ、ビームシフト制御部２０３により移動誤差を打ち消す様にビーム照射位置の調整が行われる。電子ビーム１１０１は電子源１１０から出射して、ビームスキャン制御部２０４により撮像視野内において試料ウェハ１０８上を走査される。電子ビーム１１０１の照射により試料ウェハ１０８から生じる二次電子や反射電子は複数の検出器１１１により検出され、画像化部１１２を通して検出器ごとにデジタル画像化される。撮像された画像は撮像条件や撮像日時、撮像座標などの付帯情報とともに画像記憶部２０５に記憶される。
複数の検出器１１１の配置について図３を用いて説明する。図３Ａ乃至図３Ｃは、複数の検出器１１１として検出器３０１〜３０５を用いた場合を示し、検出器３０１〜３０５と試料１０８の位置関係を模式的に表した図であり、図３Ａは透視図、図３Ｂ、図３Ｃはそれぞれｚ軸、ｙ軸方向から見た平面図と正面図である（検出器３０５は図示せず）。ここで３０１〜３０４は特定の放出角度をもつ電子(主に反射電子)を選択的に検出するように構成された複数の検出器を表しており、例えば検出器３０１は試料ウェハ１０８からｙ方向に放出された電子を検出する検出器を表している。なお、検出器としては特許文献５に記載されているような分割型の検出器を用いても良い。また、検出器３０５は試料から放出された二次電子を検出する検出器を表している。以降の説明では簡略化のため図示した５つの検出器を備えた装置を例に説明するが、本発明はこの検出器配置以外にも適用可能であり、検出器の数が増えても適用可能である。
電子の放出角度と検出信号の関係について図４を用いて説明する。電子銃１１０から出射した一次電子ビーム１１０１が試料１０８の表面に到達した際、位置４０１の様に試料が平面であれば全方位に二次電子１１０２や反射電子１１０３が放出される（図４中の矢印）。そのため各検出器において信号強度は同程度となる。試料が平面でない場合、放出される二次電子１１０２や反射電子１１０３の角度には偏りが生じる。
例えば位置４０２では、一次電子ビーム１１０１の照射位置を中心に左側に放出される電子は、試料１０８が平面の場合よりも多くなるため左側に配置した検出器３０３の検出信号は強くなる。一方、右側には放出される電子は少なくなるため右側に配置した検出器３０４の検出信号は低くなる。位置４０３では試料１０８は平面であるが隣接する凹凸４１０により放出電子が遮蔽されるため左側に配置した検出器３０３に届く電子が少なくなり検出信号が小さくなる。
このように特定の放出角度を持つ電子を選択的に検出する様に構成された検出器３０１〜３０４(図３Ａ参照)では試料１０８の表面の凹凸４１０により検出器３０１〜３０４の位置に応じた画像濃淡が生じる。画像上ではあたかも検出器方向から光を当てて陰影を観察している様に見えることからこれらの検出器画像は陰影像とも呼ばれる。なお、上方に位置する検出器３０５は主に二次電子を検出しており、試料１０８上に形成されたパターンのエッジ効果によって生じる二次電子の放出量の差異によって画像濃淡が生じる。各検出器３０３〜３０５の出力を模式的に表した信号プロファイル４０４〜４０６を図４に示す。図４の下側のグラフで、縦軸は各検出器から出力される信号の強度、横軸は試料上の位置を示している。
図５は、凹形状の欠陥部位５５１と凸形状の回路パターン５５２をＳＥＭ１０１で撮像した場合の各検出器３０１〜３０５の検出信号を模式的に表した図である（断面形状のグラフ５０１は画像５５０における（ａ）−（ｂ）間の断面プロファイル、断面形状のグラフ５０２は画像５５０における（ｃ）−（ｄ）間の断面プロファイルである）。
本例の欠陥部位５５１は画像５５０のｘ方向に沿って凹みが生じているため、画像ｙ方向に配置した検出器３０１および３０２においては、信号プロファイル５１１及び５１２に示すように欠陥部位５５１の広い範囲で濃淡コントラスト５１０が生じるが、画像５５０のｘ方向に配置した検出器３０３および３０４においては、信号プロファイル５１３及び５１４に示すように欠陥部位５５１の両端のみでしか濃淡コントラスト５１０が生じない。そのため欠陥部位５５１に関しては画像ｙ方向に配置した検出器３０１および３０２の信号プロファイル５１１及び５１２から形成される検出器画像において陰影が顕在化され、視認性が高くなる。
一方、ｙ方向に沿って形成された回路パターン５５２に関しては逆の傾向となり画像５５０のｘ方向に配置した検出器３０３および３０４の信号プロファイル５１３及び５１４から形成される検出器画像において視認性が高くなる。
このように画像５５０の面内に複数の欠陥部位５５１や回路パターン５５２が含まれている場合、対象の視認性が高くなる検出器が異なる場合がある。そのため、例えば欠陥部位５５１の視認性が高い画像を得るためには欠陥部位５５１の視認性に関する情報（以下、欠陥情報と記載）を各検出器３０１〜３０５毎に各信号プロファイル５１１〜５１５により形成される検出器画像から抽出し、その情報に基づいて視認性が高い検出器画像を選択したり、各検出器３０１〜３０５の各信号プロファイル５１１〜５１５毎に得られる複数の検出器画像を混合(合成)して画像を生成したりすることが必要である。以降において具体的方法を説明する。
図６は本発明に係る観察処理のメインフロー図である。まず、観察対象の試料ウェハ１０８をステージ１０９上にロードし（Ｓ６０１）、レシピ記憶部２０６から画像撮像条件（加速電圧やプローブ電流、加算フレーム数など）や画像処理条件が記憶されたレシピを読み込み、読み込んだ条件に従って電子光学系の設定などを行う（Ｓ６０２）。次に、座標記憶部２０７に記憶された観察対象の座標を読み込む（Ｓ６０３）。
以降の処理Ｓ６０４〜Ｓ６０７は読み込んだ観察対象座標それぞれに対して行う。まず、観察対象の座標が撮像視野に含まれるようにステージ制御部２０２を用いて可動ステージ１０９の移動を行い（Ｓ６０４）、ビームスキャン制御部２０４を用いて一次電子ビーム１１０１を撮像視野内において走査し、試料ウェハ１０８から放出された二次電子や反射電子を複数の検出器１１１により検出し、複数の検出器１１１で検出された信号を画像化部１１２によりそれぞれ画像化し、複数枚の検出器画像を得る（Ｓ６０５）。得られた複数枚の検出器画像から画像混合処理部２１２で混合画像(合成画像)を生成し（Ｓ６０６）、この生成した混成画像(合成画像)を出力する（Ｓ６０７）。
図７を用いて混合画像(合成画像)を生成するための混合画像生成処理（Ｓ６０６）の詳細について説明する。既に述べた通り、欠陥部位の視認性が高い画像を生成するためには、各検出器ごとに得られる検出器画像から欠陥情報を抽出する必要がある。そのため、まず欠陥情報抽出部２０８で検出器画像から欠陥情報の抽出を行い（Ｓ７０１）、次に抽出された欠陥情報をもとに混合パラメータ算出部２１１で欠陥部位の視認性が高くなる混合パラメータを算出し（Ｓ７０２）、算出された混合パラメータをもとに画像混合処理部２１２で画像を混合する（Ｓ７０３）。以降、Ｓ７０１〜Ｓ７０３の各処理の詳細について説明する。
まず、欠陥情報抽出部２０８で行う欠陥情報抽出処理（Ｓ７０１）の詳細について述べる。図８は欠陥情報のひとつである差分値分布情報の算出フロー図である。差分値分布情報とは欠陥画像と参照画像の差画像を用いて、各検出器の濃淡値の関連を表したものである。差分値分布情報を得るため、各検出器画像について参照画像と欠陥画像を取得し（Ｓ８０１、Ｓ８０２）、差画像算出部２０９でその差画像を算出する（Ｓ８０３）。
なお、参照画像とは欠陥画像と同様の回路パターンが観察され欠陥を含まない画像である。半導体ウェハにおいては同一の回路パターンが形成されるように製造されたチップもしくは部分領域がウェハ内に複数含まれることを利用し、欠陥が含まれるチップに隣接するチップもしくは欠陥部位の近傍において参照画像を撮像することが可能である。また、同一の回路パターンが形成されるように製造された箇所を撮像した複数枚の欠陥画像を用いて、例えば加重平均を算出することで参照画像を作成するようにしても良い。また、特許文献３に記載されている様に、回路パターンの周期性を利用し、欠陥画像から合成した参照画像を用いても良い。さらには、設計情報をもとにＳＥＭシミュレーションにより作成された参照画像を用いても良い。
差画像算出部２０９で欠陥画像と参照画像の差を算出することにより欠陥画像と参照画像の両方の回路パターンの同じ場所に現れる回路パターンに関する陰影が除去され、差画像には欠陥部位に関する陰影のみが残る。検出器画像の枚数をｎとすると一画素あたりｎ個の差分値が得られる。これを差分値分布情報算出部２１０でｎ次元の空間に散布図としてプロットした一例を図９に示す。軸は検出器の数だけあり、画素の数だけ点がプロットされる。ただし、図９では簡略化のため検出器ＡとＢに関する二次元についてのみ示している。
この例では検出器Ａにおける差分値の分布が、検出器Ｂよりも広く分布している。これは検出器Ａの方が検出器Ｂよりも欠陥の陰影を多く含んでいることを表しており、視認性が高いとみなせる。また、各プロット点を軸上に投影した際に分散が最大になる特徴軸９０３も主成分分析などの手法を使うことにより容易に算出することが可能である。つまり特徴軸９０３が第一主成分軸、特徴軸９０４が第二主成分軸である。主成分軸への投影パラメータを求めることで、より視認性の高い混合画像を生成可能となる。
次に、図７に示したフローにおける混合パラメータ算出部２１１で行う混合パラメータ算出処理（Ｓ７０２）と、画像混合処理部２１２で行う画像混合処理（Ｓ７０３）について説明する。混合パラメータとは、画像混合処理（Ｓ７０３）におけるパラメータの総称である。例えば、検出器画像に対して加重平均で画像を混合する際の重み係数は混合パラメータの一つである。画像混合処理部２１２で行う画像混合処理では、各検出器画像に対し（数１）に示されるように線形混合をしても良いし、（数２）に示されるように非線形混合にしても良い。なお（数１）(数２)において、ｘｉ（ｉ＝１、２、３、…、ｎ）は検出器画像セット（ｎは検出器数）、ｙｊ（ｊ＝１、２、３、…、ｎ）はｊ番目の混合画像、ｗｉは重み係数、ｆ（ｘｉ）は非線形関数、βはオフセット項を表す。また、非線形関数ｆ（ｘｉ）は多項式でも良いし、シグモイド関数でも良い。
非線形関数を用いることで画素濃淡値に応じて異なる増幅が可能となり、画素濃淡値が低い領域に集中するノイズ成分の増幅抑制や、画素濃淡値が高い回路パターンの濃淡飽和を抑制することが可能となる。

ｙｊ＝Σｗｉｘｉ＋β … (数１)
ｙｊ＝Σｗｉｆ（ｘｉ）＋β … (数２)

混合パラメータ算出部２１１で行う混合パラメータ算出処理（Ｓ７０２）では、各検出器画像に対する重み係数ｗｉを欠陥情報抽出処理（Ｓ７０１）で得られる差分値分布の解析結果から算出する。
図９の例を用いて具体的に説明すれば、第一主成分軸の傾き、ｄｂ／ｄａより、主成分軸への投影パラメータとして検出器Ａの重みｗ１をｄａ、検出器Ｂの重みｗ２をｄｂとすれば良い。なお図９は検出器数ｎが２の場合を示しているが、検出器数ｎが３以上の場合も容易に算出可能である。また、第二主成分軸を用いて、第二の混合画像の混合パラメータを算出することも可能である。その他、混合方法として線形混合とするか非線形混合とするかはレシピに記憶された外部パラメータを参照して決定すれば良い。もしくは入力画像に応じて自動的に切り替えるようにしても良い。
画像混合処理（Ｓ７０３）は、混合パラメータ算出部２１１で算出された混合パラメータをもとに画像混合処理部２１２で検出器画像を混合し出力する。
図１７は画像混合処理部２１２で行う画像混合処理（Ｓ７０３）の入力と出力を表した図である。混合パラメータ算出部２１１において混合パラメータ算出処理（Ｓ７０２）で算出した混合パラメータ１７０１を用いて、画像混合処理（Ｓ７０３）において画像混合処理部２１２で５枚の入力画像（１７１１〜１７１５）を混合し、２枚の画像（１７２１と１７２２）を出力した例である。入力画像１７１１〜１７１５は、それぞれ検出器３０１〜３０５で検出した信号を処理して得られた画像である。出力する画像の枚数は外部パラメータとしても良いし、主成分分析において得られる寄与率をもとに自動的に算出しても良い。
以上はＳ７０１の欠陥情報抽出処理ステップで、欠陥情報として差分値分布の解析結果を用いて、混合パラメータを決定する方法を示したが、欠陥情報は差分値分布情報に限らない。
Ｓ７０１の欠陥情報抽出処理ステップで抽出する他の欠陥情報として、欠陥部位の外観特徴量を算出する方法を図１０に沿って説明する。まず、欠陥領域認識部２１３を用いて検出器画像から欠陥領域を認識する（Ｓ１００１）。この方法としてはＡＤＲにおける欠陥再検出と同じ方法を用いることが可能であり、特許文献２や特許文献３に記載されているような、欠陥画像と参照画像との濃淡差を算出し、濃淡差の大きい領域を欠陥部として抽出する方法を用いれば良い。
次に回路パターン領域認識部２１３を用いて検出器画像から回路パターンの領域を認識する（Ｓ１００２）。この方法としては特許文献７に記載されているように画素濃淡の分布情報を用いて回路パターン領域と下地領域を認識しても良いし、設計情報を用いて領域を認識するようにしても良い。
以上の認識した欠陥領域と回路パターン領域をもとに、欠陥部位外観特徴量算出２１５で欠陥部位の外観特徴量を算出する（Ｓ１００３）。ここで欠陥部位の外観特徴とは、検出器画像から得られる凹凸情報や欠陥の方向、回路パターンとの位置関係などであるが、これらに限られたものではない。例えば画像ｘ方向に沿って生じた欠陥は、画像ｙ方向に配置された検出器において顕在化されることが定性的に明らかである。そこで、混合パラメータ算出処理（Ｓ７０２）では欠陥部位の外観特徴と、事前に作成した外観特徴条件と重み係数の対応表（図１１）を用いて混合パラメータを算出する。
具体的には、図１１の対応表は、欠陥部位特徴１１１１の欠陥の特徴毎に検出器Ａ〜Ｅの重み計数を決め、欠陥の種類に応じた特徴を選んで、各検出器ごとに重み計数の平均値を求め、それを重みとする。すなわち、図１１に示した対応表において、条件に一致する項目として条件一致判定欄１１１３で１のフラグが立っている項目(図１１の場合は、欠陥部位特徴１１１１が♯２の凸欠陥と♯３のＸ方向間色パターンの溝底の欠陥)を抽出し、その加重平均１１１４(図１１の場合は、重み計数の欄１１１２の各検出器ごとの重み計数を縦軸方向に加算した値を、加算した重み計数の数で割った値)を各検出器ごとに得られた検出器画像の重み係数ｗｉとして設定すれば良い。
以上、欠陥情報抽出処理（Ｓ７０１）において欠陥情報として、差分値分布情報や欠陥部位外観特徴量を抽出し、混合パラメータを設定する方法について説明した。説明した二つの情報は排他的なものではなく、例えば図９を用いて説明した差分値分布情報を用いて算出した重み計数と図１１を用いて説明した外観特徴条件と重み係数の対応表を用いて算出した重み計数とを平均化するなどして、両方の情報を相互補完的に用いることも可能である。また、欠陥情報は混合画像における欠陥部の視認性を決定するのに有用な情報であれば良く、これらに限ったものではない。例えば欠陥検査装置が欠陥を検出する際に利用した情報も活用可能である。
以上は、全ての検出器画像を用いて混合パラメータを算出し、画像を混合する方法を示したが、事前に選択された検出器画像のみを用いて混合パラメータの算出と画像混合を行っても良い。また、複数検出器をグルーピングしておき、各グループごとに混合パラメータを算出し、画像を混合しても良い。例えば、主に反射電子を検出する検出器と、主に二次電子を検出する検出器を別グループとし、主に反射電子を検出した検出器画像から前述の方法により作成した混合画像と、主に二次電子を検出した検出器画像から作成した混合画像をそれぞれ出力するようにしても良い。
最後に混合画像出力（Ｓ６０７）について説明する。本処理は混合画像を入出力端末１１３や画像記憶部２０５へ出力する。もしくは、ネットワークインターフェース部１０７を介して外部装置へ出力しても良い。この際、混合パラメータも合わせて出力する。混合パラメータは出力画像の付帯情報ファイルへ記載されても良いし、画像上にオーバーレイ表示して出力しても良い。
図１２Ａ乃至図１２Ｃは、混合画像出力（Ｓ６０７）において混合パラメータのうち各検出器に対する重み係数を画像１２０１〜１２０３上にオーバーレイ表示する例を示している。図１２Ａ乃至図１２Ｃの画像１２０１〜１２０３は、図１７で説明したような、各検出器で検出して得られた検出器画像１７１１〜１７１５を混合パラメータ１７０１を用いて画像混合処理部２１２で、Ｓ７０３において画像混合処理を行って得られた画像１７２１又は１７２２に相当する。
画像混合処理を行って得られた画像１２０１〜１２０３上に、画像混合処理における各検出器に対する重み係数をオーバーレイ表示する仕方としては、図１２Ａのように文字情報１２０４を出力しても良いし、図１２Ｂのようにレーダーチャート１２０５を出力しても良いし、図１２Ｃのように棒グラフ１２０６として出力しても良く、検出器間の重み係数の大小関係がわかる出力であれば良い。特に図１２Ｂに示したように、レーダーチャート１２０５の軸１２０７を実際の検出器方向と一致させることで、検出方向に対する重み係数の大小関係が直観的になり、凹凸情報などの理解が容易となる。また、重み係数の他、混合方法などを出力する様にしても良い。
以上説明したように、試料で生じた放出角度やエネルギーが異なる様々な電子を複数の検出器で検出し、検出器画像を用いて差分値分布情報や欠陥部位の外観特徴量を欠陥情報として抽出し、抽出した欠陥情報をもとに混合パラメータを自動算出し、算出された混合パラメータに基づき画像を混合し、混合パラメータと併せて出力することにより、各種欠陥の視認性が高い画像を出力することが可能となり、画像観察に関してユーザ負荷の低減が可能となる。
このように、試料で生じた放出角度や放出エネルギーが異なる様々な電子を複数の検出器で検出し、検出器画像を用いて差分値分布情報や欠陥部位の外観特徴量を欠陥情報として抽出し、抽出した欠陥情報をもとに混合パラメータを自動算出し、算出された混合パラメータに基づき画像を混合し、混合パラメータと併せて出力することにより、各種欠陥の視認性が高い画像を出力することができる。
実施例１では、各種欠陥の視認性が高い画像を出力する方法について述べたが、実施例２では欠陥の視認性のみではなく回路パターンの視認性も高い画像を生成、出力する方法について説明する。
本実施例にかかる装置構成は、実施例１で説明した図１および図２の構成と同様である。また、観察処理のメインフローも、図６で説明した観察処理のフローと同様である。異なるのは混合画像生成処理（Ｓ６０６）の処理方法である。以降においては実施例１と異なる部分についてのみ説明する。
本実施例にかかる画像混合方法は検出器画像を欠陥領域と欠陥以外の領域（背景領域）に弁別し、領域ごとに混合パラメータを算出し、領域ごとに異なる混合パラメータで画 を混合することを特徴とする。具体的な処理フローについて図１３を用いて説明する。
まず、領域弁別処理（Ｓ１３０１）では、欠陥領域認識部２１３で検出器画像から欠陥領域を抽出し、欠陥領域と欠陥以外の領域に弁別する。なお、欠陥領域の抽出の方法は実施例１に記載の方法と同様の方法で良い。また、画像内に複数の欠陥が存在する場合は、各欠陥をそれぞれ別の欠陥領域として弁別するようにしても良い。また、回路パターン領域認識部２１４を用いて、背景領域を回路パターン領域ごとに分割する様にしても良い。
図１４Ａに検出器画像１４１０を示し、図１４Ｂに領域弁別結果１４２０の例を示す。図１４Ａの検出器画像１４１０には画像ｙ方向に沿って形成された上層の回路パターン１４１１と画像ｘ方向に沿って形成された下層の回路パターン１４１２、２つの欠陥１４１３、１４１４が撮像されている。図１４Ｂは領域弁別結果１４２０の例であり、背景領域は上層回路パターン領域１４２１と下層回路パターン領域１４２２に弁別され、欠陥領域として領域１４２３、領域１４２４のふたつの領域が抽出および弁別されている。
領域弁別後、各領域について混合パラメータの算出を独立に行う。背景領域に関しては、差分値情報算出部２１０で、背景濃淡値分布解析処理（Ｓ１３０２）において、各検出器の濃淡値分布を解析する。これは実施例１において説明した差分値情報算出部２１０における差分値分布の解析を領域弁別処理（Ｓ１３０１）で弁別した背景領域ごとの濃淡値を用いて処理するものであり、実施例１における差分値分布の解析と同様に、濃淡値の分散が最大となる特徴軸を主成分分析などにより算出する。
次に、差分値情報算出部２１０におけるＳ１３０２の背景領域濃淡値分布の解析結果をもとに、混合パラメータ算出部２１１で混合パラメータを算出する（Ｓ１３０３）。本処理も実施例１において図８を用いて説明した混合パラメータ算出部２１１で実行する差分値分布情報をもとにした混合パラメータ算出方法と同様の方法を用いればよい。つまり、Ｓ１３０２で背景領域濃淡値分布の解析により得られる主成分軸の傾きより混合パラメータを設定する。その他、特許文献６記載の様に回路パターンのエッジ方向などをもとに混合パラメータを算出する様にしても良く、さらには背景濃淡値分布の解析結果と回路パターンのエッジ方向などをもとに混合パラメータを算出する様にしても良い。
欠陥領域に関しては実施例１で説明した方法により混合パラメータを算出すれば良い。つまり欠陥情報抽出部２０８で欠陥情報を抽出し（Ｓ１３０４）、抽出した欠陥情報に基づいて混合パラメータ算出部２１１で混合パラメータを算出すれば良い（Ｓ１３０５）。図１５の表１５００に示すように、各領域について算出した混合パラメータ(重み計数１５０２)は、領域１５０１に結び付けて記憶部１０３に記憶される。図１５に示した例においては、領域１５０１の欄の番号１４２１〜１４２４は、図１４Ｂの領域１４２１〜１４２４に対応している。
ループ１の処理を繰り返して各領域について混合パラメータの算出が終了すると、次に、画像混合処理部２１２において、画像混合処理（１３０６）により領域ごとに画像を混合する。この際、領域の境界において生じる混合パラメータの違いによる不連続性を低減するために、弁別した領域をそれぞれ膨張させておき、重なり合う領域については濃淡の加重平均を算出するようにしても良い。もしくは混合パラメータの加重平均を算出した上で混合するようにしても良い。
以上説明した方法によれば、欠陥部位のみならず回路パターンの視認性も高い画像を出力することが可能となった。
実施例１および実施例２では検出器画像を用いて混合パラメータを算出し、欠陥部位ないし回路パターンの視認性が高い画像を混合する方法について説明した。本実施例ではＡＤＲを対象に視認性の高い観察用画像を得る方法について説明する。
ＡＤＲは他の欠陥検査装置が出力した欠陥位置座標をもとに、観察用の画像を自動収集する機能である。検査装置が出力した欠陥位置座標には誤差が含まれるため、ＡＤＲでは欠陥位置座標を低倍率で撮像した画像から欠陥を再検出し、再検出した欠陥位置を中心に観察用の高倍率画像を撮像する機能を備えている。本実施例では低倍画像から混合パラメータを算出し、高倍画像の画像混合に用いる方法を説明する。
本実施例にかかる装置構成は実施例１および実施例２で示した図１および図２に示した構成と同様である。本実施例に係る欠陥観察のフローを図１６に示す。
まず、観察対象のウェハ１０８をステージ１０９上にロードし（Ｓ１６０１）、レシピ記憶部２０６から画像撮像条件（加速電圧やプローブ電流、加算フレーム数など）や画像処理条件が記憶されたレシピを読み込み、読み込んだ条件に従ってＳＥＭ１０１の電子光学系の設定などを行う（Ｓ１６０２）。次に、座標記憶部２０７に記憶された欠陥検査装置が出力した欠陥位置座標を読み込む（Ｓ１６０３）。
以降の処理Ｓ１６０４〜Ｓ１６１１は読み込んだ欠陥位置座標それぞれに対して行う。まず、欠陥位置座標がＳＥＭ１０１の電子光学系の撮像視野に含まれるようにステージ制御部２０２を用いてステージ１０９の移動を行い（Ｓ１６０４）、次に視野サイズ（ＳＥＭ１０１の電子光学系の撮像視野における試料面の一辺の長さ）が１０〜３μｍ程度の低倍率で試料ウェハ１０８を撮像する（Ｓ１６０５）。次に、この撮像して得た試料ウェハ１０８の低倍画像の視野内から欠陥を再検出し（Ｓ１６０６）、この低倍画像を用いて混合パラメータを算出し（Ｓ１６０７）、低倍画像の混合画像を生成する（Ｓ１６０８）。次に、低倍画像で再検出した欠陥位置を中心に視野サイズが３〜０．５μｍ程度の高倍率で画像を撮像し（Ｓ１６０９）、処理Ｓ１６０７で算出した混合パラメータを用いて高倍画像を混合し（Ｓ１６１０）、混合した低倍画像および高倍画像を出力する（Ｓ１６１１）。
混合パラメータ算出処理（Ｓ１６０７）に関しては、実施例１ないし実施例２に記載の方法を用いればよい。また、高倍画像撮像後に、高倍撮像画像を用いて混合パラメータを算出し、低倍画像から算出した混合パラメータとの併用により、高倍画像の混合パラメータを算出しても良い。
以上説明した方法によれば、低倍画像の混合画像と、高倍画像の混合画像の見栄えが同様になり、かつ視認性の高い高倍画像を得ることが可能となる
１０１…走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ） １０８…ウェハ試料 １１２…画像化部 ２０５…画像記憶部 ２０６…レシピ記憶部 ２０７…座標記憶部 ２０８…欠陥情報抽出部 ２０９…差画像算出部 ２１０…差分値分布情報算出部 ２１１…混合パラメータ算出部 ２１２…画像混合処理部 ２１３…欠陥領域認識部 ２１４…回路パターン領域認識部 ２１５…欠陥部位外観特徴量算出部 ３０１〜３０５…荷電粒子検出器。

Claims (14)

  1. 荷電粒子顕微鏡を用いて試料を観察する方法であって、
    荷電粒子ビームを試料上に照射して走査することにより前記試料から発生する二次電子又は反射電子を前記試料に対して異なる位置に配置した複数の検出器で検出し、
    前記異なる位置に配置した複数の検出器ごとに前記二次電子又は反射電子を検出して得た前記複数の検出器ごとの前記試料の複数の画像を混合して混合画像を生成し、
    前記生成した混合画像を出力する
    ことを特徴とする試料観察方法。
  2. 請求項１記載の試料観察方法であって、
    前記異なる位置に配置した複数の検出器ごとに前記二次電子又は反射電子を検出して得た前記複数の検出器ごとの前記試料の複数の画像を混合して混合画像を生成することにより、前記複数の検出器ごとに得られた前記試料の画像よりも前記試料上の欠陥部位やパターンの視認性を向上させた画像を出力することを特徴とする試料観察方法。
  3. 請求項１又は２に記載の試料観察方法であって、
    前記異なる位置に配置した複数の検出器ごとに前記二次電子又は反射電子を検出して得た前記複数の検出器ごとの前記試料の複数の画像を混合して混合画像を生成することを、前記複数の検出器ごとの前記試料の複数の画像のそれぞれに重みをつけて混合することにより行うことを特徴とする試料観察方法。
  4. 請求項１記載の試料観察方法であって、
    前記複数の検出器ごとの前記試料の複数の画像を混合して混合画像を生成することを、前記試料上の観察したいパターン又は欠陥の種類に応じて前記試料の複数の画像のそれぞれの重みを変えて混合することにより行うことを特徴とする試料観察方法。
  5. 請求項１記載の試料観察方法であって、
    前記複数の検出器ごとの前記試料の複数の画像を混合した画像と共に、前記混合した画像における前記複数の検出器ごとの前記試料の複数の画像の重みに関する情報を画面上に表示することを特徴とする試料観察方法。
  6. 荷電粒子顕微鏡を用いて試料を観察する方法であって、
    荷電粒子ビームを試料上の第１の領域に照射して走査することにより前記第１の領域から発生する二次電子又は反射電子を前記試料に対して異なる位置に配置した複数の検出器で検出し、
    前記異なる位置に配置した複数の検出器ごとに前記二次電子又は反射電子を検出して得た信号から前記複数の検出器ごとの前記第１の領域の複数の画像を作成し、
    前記作成した前記複数の検出器ごとの前記第１の領域の複数の画像それぞれの重みづけとなる混合パラメータを算出し、
    荷電粒子ビームを前記試料上の前記第１の領域の内部の第２の領域に照射して走査することにより前記第２の領域から発生する二次電子又は反射電子を前記試料に対して異なる位置に配置した前記複数の検出器で検出し、
    前記異なる位置に配置した複数の検出器ごとに前記二次電子又は反射電子を検出して得た信号から前記第１の領域の複数の画像よりも高倍率の前記複数の検出器ごとの前記第２の領域の複数の画像を作成し、
    前記作成した前記第２の領域の複数の画像を前記算出した混合パラメータを用いて混合して高倍率の混合画像を生成し、
    前記生成した高倍率の混合画像を出力する
    ことを特徴とする試料観察方法。
  7. 請求項６記載の試料観察方法であって、
    前記混合パラメータを、前記作成した第１の領域の複数の画像から抽出した欠陥の情報を用いて算出することを特徴とする試料観察方法。
  8. 請求項６記載の試料観察方法であって、
    前記生成した高倍率の混合画像を、前記重みに関する情報と共に画面上に表示することを特徴とする試料観察方法。
  9. 荷電粒子顕微鏡を用いて試料を観察する装置であって、
    荷電粒子ビームを試料上に照射して走査することにより前記試料から発生する二次電子又は反射電子を前記試料に対して異なる位置に配置した複数の検出器で検出する複数の検出器を備えた荷電粒子顕微鏡と、
    前記荷電粒子顕微鏡の異なる位置に配置した複数の検出器ごとに前記二次電子又は反射電子を検出して得た信号から前記複数の検出器ごとの前記試料の画像を作成する画像作成部と、
    前記画像作成部で作成した前記複数の検出器ごとの前記試料の画像を混合して混合画像を作成する混合画像作成部と、
    前記混合画像作成部で作成した混合画像を表示する表示部と
    を備えたことを特徴とする試料観察装置。
  10. 請求項９記載の試料観察装置であって、
    前記混合画像作成部は、前記複数の検出器ごとの前記試料の画像にそれぞれに重みをつけて混合することにより混合画像を作成することを特徴とする試料観察装置。
  11. 請求項９記載の試料観察装置であって、
    前記混合画像作成部は、前記試料上の観察したいパターン又は欠陥の種類に応じて前記複数の検出器ごとの前記試料の画像にそれぞれに重みをつけて混合することを特徴とする試料観察装置。
  12. 請求項９記載の試料観察装置であって、
    欠陥情報抽出部と混合パラメータ算出部とを更に備え、前記欠陥情報抽出部で前記異なる位置に配置した複数の検出器ごとに作成した前記試料の画像から前記試料上の欠陥の情報を抽出し、前記混合パラメータ算出部で前記混合画像作成部において前記混合画像を作成するための前記試料の画像の重みである混合パラメータを算出し、前記混合画像作成部において前記混合パラメータ算出部で算出した前記混合パラメータを用いて前記画像作成部で作成した前記異なる位置に配置した複数の検出器ごとの画像に重みをつけて混合することを特徴とする試料観察装置。
  13. 請求項９記載の試料観察装置であって、
    前記表示部に、前記重みをつけて混合した画像を前記重みに関する情報と共に表示することを特徴とする試料観察装置。
  14. 請求項９記載の試料観察装置であって、
    前記混合画像作成部において前記画像作成部で作成した前記異なる位置に配置した複数の検出器ごとの前記試料の画像を重みをつけて混合することにより、前記複数の検出器ごとに得られた前記試料の画像よりも前記試料上の欠陥部位やパターンの視認性を向上させた画像を作成することを特徴とする試料観察装置。
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