JP4972472B2 - 半導体検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体検査装置に係り、特に、半導体ウエハ上のパターンに存在する欠陥を検査する半導体検査装置に関する。

コンピュータ等に使用されるメモリやマイクロコンピュータなどの半導体は、ホトマスクに形成された回路等のパターンを、露光処理、リソグラフィー処理、エッチング処理等により転写する工程を繰り返すことによって製造される。半導体装置の製造過程において、リソグラフィー処理、エッチング処理、その他の処理の結果の良否、異物発生等の欠陥の存在は、半導体装置の製造歩留まりに大きく影響を及ぼす。したがって、異常発生や不良発生を、早期に、あるいは、事前に検知するために、各製造工程の終了時に半導体ウエハ上のパターンの検査が実施されている。この半導体ウエハ上のパターンに存在する欠陥を検査する方法の一例として、電子線画像を用いて、パターンを検査する方法及び装置が実用化されている。

特許文献１に、回路パターンが形成された基板面に電子線を照射し、走査する手段と、該基板面から二次的に発生する信号を検出する検出手段と、検出された該信号を操作画面上に画像化する手段と、該画像より該基板面の形状、凹凸、電位コントラストに基づく異物・欠陥に関する情報を自動認識する手段を具備してなる検査装置が記載されている。これら検査装置では、高スループット且つ高精度な検査を行うために、非常に高速に、高ＳＮな画像を取得する必要が有る。そのため、通常の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の１０００倍以上（１００ｎＡ以上）の大電流ビームを用いて照射される電子数を確保し、高ＳＮ比を保持している。さらに、基板から発生する二次電子、反射電子の高速且つ高効率な検出が必須である。

欠陥検出の際に、様々な理由のために引き起こされる雑音成分によって本来目的としていない欠陥が検出される場合は、前記自動欠陥認識の分類精度の低下を引き起こすばかりでなく、検査装置の検査性能自体が低下していることが予想される。そのため、特許文献２で示されたように欠陥を検出したのち自動的に該欠陥を分類することによって実際の欠陥か虚報であるかの判定する方法が用いられる。
また、特許文献３のように、ランダムに発生した雑音を統計的に指標化して画像処理にてノイズ成分の低減を行う手法も用いられる。

特開２００１−１５９６１６号公報 特開２００２−１２４５５５号公報 特開２００６−２１５０２０号公報

しかし、特許文献２や特許文献３で記載された欠陥自動分類方法や統計的な画像処理だけでは充分ではない。例えば、試料に照射した大電流が引き起こす帯電によって微小領域で放電が発生した場合、該放電部位から多量の電子や電磁波が発生しこれらを検出することによってデバイス上の欠陥と誤認識することがある。
また、ＳＥＭ式検査装置では、高速の電子線を何種類もの高電圧電極を用いて制御するために、該高電圧電極から発生した放電雑音や電磁波雑音が検出器にて検出され、欠陥として誤認識することがある。
このように試料や装置条件でも常に不定期に起こりうるために通常の欠陥との判別は難しい。そのため、画像の情報だけから欠陥の誤認識として自動分類することは非常に難しい。

よって、本発明の目的は、試料上や装置内で発生した放電等による雑音成分の情報が信号成分から除去された画像を取得することができる半導体検査装置を提供することである。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、信号成分を検出する主検出器の他に雑音成分を検出する副検出器を配置し、前記信号成分から雑音成分を減算処理するする機能を用いて欠陥の検出性能を向上させる装置を提供することである。すなわち、本発明の目的は、
（１）電子線を放出する電子銃と、被検査試料を保持するステージと、被検査試料に照射された電子線に起因して放出される信号成分を検出する主検出手段と、被検査試料あるいは被検査試料を内包する装置内から発生した雑音成分を検出する少なくとも一つの副検出手段とを有し、主検出手段にて検出した信号成分から副検出手段にて検出した雑音成分を減算することによって、信号成分から雑音成分を除去または低減する雑音成分減算処理手段を有する半導体検査装置により、
（２） 上記（１）において、雑音成分減算処理手段が、主検出手段にて検出した信号成分と前記副検出手段にて検出された雑音成分とのそれぞれを基に構成された信号成分画像および雑音成分画像を表示する画像表示部と、信号成分画像および雑音成分画像に減算処理を施して減算画像を得る減算画像処理部とを有する半導体検査装置により、
（３） 上記（１）において、記雑音成分減算処理手段が、主検出手段にて検出した信号成分と副検出手段にて検出された雑音成分とを減算用アナログ回路に入力し、信号成分と雑音成分との減算処理を行う信号処理部と、信号処理部から出力された信号に基づき雑音成分が取り除かれた減算画像を表示する減算画像表示部とを有する半導体検査装置により、
（４） 上記（２）または（３）において、減算処理は、減算する雑音成分量を調整する機能を有する半導体検査装置により、
（５） 上記（２）において、画像表示を含む操作画面を有し、操作画面上で減算する雑音成分量を調整できる減算処理調整部を有する半導体検査装置により、
（６）電子線を放出する電子銃と、被検査試料を保持するステージと、被検査試料に照射された電子線に起因して放出される信号成分を検出する主検出手段と、被検査試料あるいは被検査試料を内包する装置内から発生した雑音成分を検出する少なくとも一つの副検出手段とを有し、主検出手段と副検出手段のそれぞれが、半導体検出素子で構成され、主検出手段にて検出した信号成分から副検出手段にて検出した雑音成分を減算することによって、信号成分から雑音成分を除去または低減する雑音成分減算処理手段を有する半導体検査装置により、
（７） 上記（６）において、雑音成分減算処理手段が、主検出手段にて検出した信号成分と副検出手段にて検出された雑音成分とのそれぞれを基に構成された信号成分画像および雑音成分画像を表示する画像表示部と、信号成分画像および雑音成分画像に減算処理を施して減算画像を得る減算画像処理部とを有する半導体検査装置により、
（８） 上記（７）において、減算処理は、減算する雑音成分量を調整する機能を有する半導体検査装置により、
（９） 上記（７）において、画像表示を含む操作画面を有し、操作画面上で減算する雑音成分量を調整できる減算処理調整部を有する半導体検査装置により達成できる。

本発明によって、試料上や装置内で発生した放電等による雑音成分の情報が信号成分から除去された画像を取得することができる。

以下に、本発明の実施例を図面を用いて、詳細に説明する。
＜実施例１＞
以下では電磁波検出を行うアンテナを用いた雑音低減について述べる。
図１のように試料3から放出される信号成分１１を検出する主検出器４の他に、電磁波ノイズ１０を検出するアンテナ5を配置する。
試料3から出てきた主信号成分１１を主検出器４にて検出する一方で、試料３での局所放電などにより発生した電磁波１０を前記アンテナ５により雑音成分として検出する。
次に、前記検出した信号成分を信号成分用増幅器６を用いて、雑音成分を雑音成分用増幅器7にてそれぞれ増幅させる。
次に、前記増幅された信号成分と雑音成分をアナログ／デジタル（以下A/D）変換部１２、１３にてA/D変換を行う。
これら各々のデジタル信号から画像表示部９にて画像表示させると図２のようになる。ここでは細線が等間隔に並んだデバイスを観察した場合を模擬した画像である。画像２０が信号成分による画像で、画像２１が雑音成分による画像である。画像２０にはデバイス上の真の欠陥２６とともに、放電等によって発生した雑音成分部位２２、２４が白い輝点として画像上に出現する場合を模擬した画像である。
一方、前記アンテナ５によって検出された雑音成分画像２１では、放電等によって発生した雑音成分部位２２、２４が主として画像に現れる。
次に、減算画像処理部8にて画像２０から画像２１を減算処理を行う。
その結果、画像２７で示したように、放電等によって発生した雑音成分部位２２、２４がない画像とすることが可能となる。
さらにこれを欠陥が無い部位の画像と比較することによって異物あるいは欠陥の検査を行うことが可能となる。
また、図３のように画像を構成するまでの間に、信号成分から雑音成分を差し引く機能を有する検出回路が配置された構成も可能である。以下では、減算処理機能を有する検出回路を用いた減算処理方法について述べる。
はじめに、試料3から出てきた主信号成分１１を主検出器4にて検出する一方で、試料３での局所放電などにより発生した電磁波１０を前記アンテナ５により雑音成分として検出する。
次に、前記検出した信号成分を信号成分用増幅器６を用いて、雑音成分を雑音成分用増幅器7にてそれぞれ増幅させる。ここまでは図１の構成と同じである。
次に、信号成分用増幅器６にて増幅させた後の信号成分から、雑音成分用増幅器７にて増幅させた後の雑音成分を減算用アナログ回路１４にてアナログ的に減算処理する。
その減算処理された雑音をＡ／Ｄ変換部１５にてＡ／Ｄ変換させた後に画像表示させることにより、画像上では雑音成分が取り除かれている画像だけを表示させることができる。この場合前記減算画像処理部８が不要となる。
減算処理量を調整する場合は、デジタル／アナログ（以下Ｄ／Ａと称する。）変換器１７を経由してアナログ的に減算量を調整することによって実現できる。
＜実施例２＞
電子によって構成された信号成分や雑音成分を検出するために、半導体検出素子やシンチレータなどを検出手段として用いることが可能である。ここでは、半導体検出素子を用いて信号成分や雑音成分を検出する方法について述べる。
尚、半導体検出素子は電子だけではなく、Ｘ線や励起光なども検出することができるため、それらが雑音成分となる場合でも以下方法や装置構成は同等である。
装置構成としては図４のように少なくとも２つ以上の半導体検出素子を配置することによって実現できる。
試料からの主信号成分１１を信号成分用の半導体検出素子６２に入るように電子レンズ６１を用いて軌道制御を行うことによって信号成分１１を検出することができる。
尚、図４では電子レンズを検出器の別途外側に配置してあるが、検出器６３そのものに高電圧をかけるなどして、放出電子を検出器に引き込みながら電子を収束させることもできる。
信号成分用の半導体検出素子６２にて信号成分１１を検出する一方で、試料３から高エネルギーで放出した電子や、高電圧電極の放電により発生した電子の運動は前記軌道設計時に想定されていない電子軌道となるので、両検出器にて検出することになる。
つまり、雑音成分検出用の半導体検出素子６０には雑音成分だけが検出されることになる。検出された信号成分から雑音成分を減算する方法や装置構成に関しては、図１〜３と同様である。

また、もし信号成分検出用の検出器4と雑音成分検出用の電子線検出器６０として半導体検出素子が適応可能であれば、図４のように検出素子を近接させることができる。
この場合、試料からの信号成分を主検出器４に入るようにするための軌道設計は難しくなるが、わずかな軌道のずれを検出することができるので、雑音成分の取得を効率的に行うことができる。
＜実施例３＞
以下では、減算処理量を調整する方法と機能について述べる。
どの程度雑音が発生するかは装置や試料または検査条件によって異なる。例えば、帯電しやすいウェハーに大電流の電子線を照射して検査する場合などは微小放電の可能性は高くなる。
減算処理量が少なすぎたり多すぎたりした場合は、依然として雑音成分を欠陥と誤認識してしまうことが考えられる。そのため、減算処理量を調整できる機能が必要である。
これを解決するために雑音成分を減算処理する時に図５のように操作画面上で減算処理量を調整できる減算処理調整部位５２を設けてこれを調整できる必要がある。この減残量調整機能によって、最適な減算量を見つけることができる。
最適な調整量を見つけるためには以下手順によって行うことができる。
はじめに、数回減算処理の調整量を変えて試験的な検査を行い、それぞれの検出欠陥数を取得する。
次に、前記数回変えた減算処理の調整量とその時の検出欠陥数との関係を表わすグラフ５１または数値表などを作成する。
その中で最も欠陥数が少ない減算調整量の条件が最も誤認識が少ないと判断できる。その結果、最適な減算調整量を見つけ出すことできる。
これら減算処理調整方法は単純な減算量を変化させて検査を行うだけであるので、本調整の全自動化も可能である。

本発明における雑音成分を低減することのできる装置概略構成図である。 本発明における信号成分からなる画像と、雑音成分からなる画像と、信号成分から雑音成分を減算処理した画像の概略図である。 本発明におけるアナログ回路を用いて減算処理した機能を有する検出制御回路システム構成図である。 本発明における信号成分検出用と雑音成分検出用の半導体検出素子を近接させて、信号成分と雑音成分の検出を説明するための検出システム構成図である。 本発明における雑音成分の原残量を調整し、その結果を表示させた操作画面の概略図である。

符号の説明

１…電子銃、
２…試料台、
３…試料、
４…信号成分検出用主検出手段、
５…雑音成分検出用副検出手段、
６…信号成分用増幅器、
７…雑音成分用増幅器、
８…減算画像処理部、
９…画像表示部、
１０…雑音成分、
１１…信号成分、
１２…信号成分用Ａ／Ｄ変換部、
１３…雑音成分用Ａ／Ｄ変換部、
１４…減算処理用アナログ回路、
１５…減算処理後の信号成分のＤ／Ａ変換部、
１６…画像・装置制御コントローラ、
１７…Ｄ／Ａ変換部、
２０…信号成分による画像、
２１…雑音成分による画像、
２２…雑音によって形成された部位、
２３…雑音によって形成された部位、
２４…雑音によって形成された部位、
２５…雑音によって形成された部位、
２６…デバイスの欠陥部位、
２７…信号成分から雑音成分を除去した画像、
５０…減算処理量を調整する機能を持つ操作、表示画面、
５１…減算処理の調整量と検出欠陥数との関係を表わすグラフ、
５２…減算量の調整部位、
５３…画像の焦点や明るさを調整する部位、
６０…雑音成分検出用の半導体検出素子、
６１…信号成分の電子線を集束させるための電子レンズ、
６２…信号成分検出用の半導体検出素子、
６３…信号成分と雑音成分用の半導体検出素子の支持台。

Claims (4)

1. 電子線を放出する電子銃と、
   被検査試料を保持するステージと、
   前記被検査試料に照射された電子線に起因して放出される信号成分を検出する主検出手段と、
   前記被検査試料あるいは前記被検査試料を内包する装置内から発生した雑音成分を検出する少なくとも一つの副検出手段とを有し、
   前記副検出手段は、アンテナで構成され、
   前記主検出手段にて検出した信号成分から前記副検出手段にて検出した雑音成分を減算することによって、前記信号成分から前記雑音成分を除去または低減する雑音成分減算処理手段を有し、
   前記雑音成分減算処理手段が、
   前記主検出手段にて検出した信号成分と前記副検出手段にて検出された雑音成分とのそれぞれを基に構成された信号成分画像および雑音成分画像を表示する画像表示部と、
   前記信号成分画像および前記雑音成分画像に減算処理を施して減算画像を得る減算画像処理部とを有し、
   前記減算処理は、減算する雑音成分量を調整する機能を有することを特徴とする半導体検査装置。
2. 電子線を放出する電子銃と、
   被検査試料を保持するステージと、
   前記被検査試料に照射された電子線に起因して放出される信号成分を検出する主検出手段と、
   前記被検査試料あるいは前記被検査試料を内包する装置内から発生した雑音成分を検出する少なくとも一つの副検出手段とを有し、
   前記副検出手段は、アンテナで構成され、
   前記主検出手段にて検出した信号成分から前記副検出手段にて検出した雑音成分を減算することによって、前記信号成分から前記雑音成分を除去または低減する雑音成分減算処理手段を有し、
   前記雑音成分減算処理手段が、
   前記主検出手段にて検出した信号成分と前記副検出手段にて検出された雑音成分とのそれぞれを基に構成された信号成分画像および雑音成分画像を表示する画像表示部と、
   前記信号成分画像および前記雑音成分画像に減算処理を施して減算画像を得る減算画像処理部とを有し、
   前記画像表示を含む操作画面を有し、
   前記操作画面上で減算する雑音成分量を調整できる減算処理調整部を有することを特徴とする半導体検査装置。
3. 電子線を放出する電子銃と、
   被検査試料を保持するステージと、
   前記被検査試料に照射された電子線に起因して放出される信号成分を検出する主検出手段と、
   前記被検査試料あるいは前記被検査試料を内包する装置内から発生した雑音成分を検出する少なくとも一つの副検出手段とを有し、
   前記主検出手段と前記副検出手段のそれぞれが、半導体検出素子で構成され、
   前記主検出手段にて検出した信号成分から前記副検出手段にて検出した雑音成分を減算することによって、前記信号成分から前記雑音成分を除去または低減する雑音成分減算処理手段を有し、
   前記雑音成分減算処理手段が、
   前記主検出手段にて検出した信号成分と前記副検出手段にて検出された雑音成分とのそれぞれを基に構成された信号成分画像および雑音成分画像を表示する画像表示部と、
   前記信号成分画像および前記雑音成分画像に減算処理を施して減算画像を得る減算画像処理部とを有し、
   前記減算処理は、減算する雑音成分量を調整する機能を有することを特徴とする半導体検査装置。
4. 電子線を放出する電子銃と、
   被検査試料を保持するステージと、
   前記被検査試料に照射された電子線に起因して放出される信号成分を検出する主検出手段と、
   前記被検査試料あるいは前記被検査試料を内包する装置内から発生した雑音成分を検出する少なくとも一つの副検出手段とを有し、
   前記主検出手段と前記副検出手段のそれぞれが、半導体検出素子で構成され、
   前記主検出手段にて検出した信号成分から前記副検出手段にて検出した雑音成分を減算することによって、前記信号成分から前記雑音成分を除去または低減する雑音成分減算処理手段を有し、
   前記雑音成分減算処理手段が、
   前記主検出手段にて検出した信号成分と前記副検出手段にて検出された雑音成分とのそれぞれを基に構成された信号成分画像および雑音成分画像を表示する画像表示部と、
   前記信号成分画像および前記雑音成分画像に減算処理を施して減算画像を得る減算画像処理部とを有し、
   前記画像表示を含む操作画面を有し、
   前記操作画面上で減算する雑音成分量を調整できる減算処理調整部を有することを特徴とする半導体検査装置。

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