JP5118872B2 - 半導体デバイスの欠陥観察方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は工業製品，特に半導体前工程における製造途中の半導体に対し，収束電子ビームを照射しその照射位置から放出される電子を検出して観察対象の画像を撮像する走査電子顕微鏡（以下ＳＥＭ: Scanning Electron Microscope）に関し，特に高倍率の画像を撮像することが必要なＳＥＭ式半導体ウェーハ検査装置やＳＥＭ式半導体パターン計測装置，半導体ウェーハで検出された欠陥をより詳細に観察し，さらにこれらの検査装置で出力された欠陥をもとにさらに詳細な検査を行う半導体デバイスの欠陥観察方法及びその装置に関する。

半導体の微細化に伴い、半導体の前工程製造プロセスの制御はますます困難になってきており，半導体の露光工程においては光近接効果によって生じるの設計パターン寸法とレジストに転写されたパターンとの差が無視できなくなってきている。このため，光近接効果をシミュレーションし，マスクパターンを補正する近接効果補正（ＯＰＣ: Optical Proximity Correction）が行われている。また，ＯＰＣを適用したマスクを用いた露光工程においては，プロセスの変動により比較的不良が発生しやすい箇所，ホットスポットが発生してしまう。

そこで，このホットスポットにおいても，多少のプロセス変動に影響を受けずにも正常な製造が行われるよう，マスクのレイアウト設計を変更することが行われるようになっている。このように，製造における不良の発生を抑制するよう，設計を行う手法はＤＦＭ（Design For Manufacturing）として知られるようになってきており，これ効率的に行うため，製造の状態を設計にスムースにフィードバックを行うようなシステムが切望されている。このための手法の一つとして，たとえば特開２００２−３３３６５号公報（特許文献１）に示されるように，ＣＡＤ（Computer Aided Design）データの解析により，製造状態を管理するポイントを自動的に決定し，この位置をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）等の顕微鏡を用いて撮像，観察する方法が開示されている。

また，これとは異なる手法として，ウェーハを全面，あるいは部分的に検査し，検出された欠陥を特開平１０−１３５２８８号公報（特許文献２）に示されているようにＳＥＭ等の顕微鏡を用いたレビュー装置により高倍率で欠陥を観察し，製造状態を管理する方法として，が知られている。

特開２００２−３３３６５号公報 特開平１０−１３５２８８号公報

しかし，上記従来の技術では，半導体ウェーハの製造状態を正確にモニタリングすることは困難になってきている。特許文献１に開示されているようなＣＡＤデータの解析により製造状態を管理するポイントを自動的に決定する方法では，半導体のパターンの高密度化と，半導体ウェーハの２００mmから３００mmへの大型化により，評価すべき管理ポイント数が多くなりすぎ，全数を管理することができなくなってきている。このため，評価ウェーハや評価チップのサンプリングを行い，評価点数を削減しているが，最小のサンプリング数で最大の効果を得る方法については確立されていない。

特許文献２に開示されているようなレビュー装置による，欠陥のレビューに関しては，着目すべき欠陥をレビューすることが困難であるという課題があった。ＤＦＭを行うにあたり重要となる製造における情報は，リソグラフィシミュレーションを行った際の設計時の仮説と実製造時の検査，計測で得られた結果が一致しているかどうかであり，ランダム異物など設計とは大きな関係がない欠陥をレビューするのみでは設計へのフィードバックが難しい。

設計へのフィードバックを行うにあたり重要となる情報は，パターンの細りや太り，コンタクトホール径の縮小といった欠陥より得られるが，通常のウェーハ外観検査装置では極めて欠陥検出感度を高めなければ検出ができない欠陥がＤＯＩ(Defect of Interest)となる。一方，検査装置の感度を極めて高くすると，配線パターン上面の非欠陥のグレインや，比較を行うダイ同士の膜厚の違いを検出する等，非ＤＯＩ欠陥が数多く検出されてしまい，妥当な製造状態の管理ができないという課題があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決して、多数のＤＯＩ欠陥を高速に検査することを可能にする半導体欠陥の検査またはレビュー方法およびその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では，ＣＡＤデータの解析により製造状態を管理するポイントを自動的に決定する方法において，ＳＥＭを用いて検査ポイント近傍の低倍画像を第１の撮像条件で撮像し，ＣＡＤデータとＳＥＭ画像の比較により異常部を抽出し，ＳＥＭを第２の撮像条件に設定した後，異常部のみ観察に適した高倍ＳＥＭ像を撮像するようにした。

すなわち本発明では、走査型電子顕微鏡を用いて検査対象試料上の欠陥を観察する方法において、検査対象試料上の観察すべき複数の検査領域をグルーピングし、このグルーピングした観察すべき複数の検査領域を第1の撮像条件に設定した走査型電子顕微鏡で撮像して観察すべき複数の検査領域の第1の倍率の画像を取得し、この取得した複数の検査領域の画像を設計データと比較して異常部を抽出し、抽出した異常部を第２の撮像条件に設定した走査型電子顕微鏡で撮像して抽出した異常部の第1の倍率よりも高い第2の倍率の画像を取得するようにした。

また、本発明では、走査型電子顕微鏡を用いて検査対象試料上の欠陥を観察する方法において、検査対象試料上の観察すべき複数の検査領域が第1の撮像条件に設定した走査型電子顕微鏡の電子線走査範囲内に入るように設置した状態で第1の撮像条件で撮像して観察すべき複数の検査領域の画像を取得し、第1の撮像条件で撮像して取得した複数の検査領域の画像を設計データと比較して異常部を抽出し、この抽出した異常部を走査型電子顕微鏡を第２の撮像条件に設定して撮像して画像を取得するようにした。

更に本発明では、走査型電子顕微鏡を用いて検査対象試料上の欠陥を観察する方法において、検査対象試料上の複数の検査領域を走査型電子顕微鏡の電子線走査範囲内に入れて第1の撮像条件で撮像し，第1の撮像条件で撮像して得た複数の検査領域画像を設計データと比較して異常部を抽出し，この抽出した異常部を走査型電子顕微鏡を第2の撮像条件に設定して撮像し、設計データとの比較結果をもとに第2の撮像条件で撮像して得た異常部の画像を分類し，この分類した結果に基づいて分類ごとに予め設定した部分の寸法を計測し，分類結果と寸法の計測結果とを撮像して得た画像とともに表示するようにした。

また、本発明では、半導体デバイスの欠陥観察装置を、検査対象試料を載置して平面内で移動可能なテーブルを備えた走査型電子顕微鏡と、この走査型電子顕微鏡で検査対象試料を観察するための撮像条件を設定する撮像条件設定手段と、この撮像条件設定手段で設定した第1の撮像条件における走査型電子顕微鏡の撮像視野内に検査対象試料上の観察すべき複数の検査領域が入るように走査型電子顕微鏡のテーブルを制御するテーブル制御手段と、撮像条件設定手段で第1の撮像条件に設定した走査型電子顕微鏡で撮像して得た複数の検査領域の画像を設計データと比較して異常部を抽出する第1の画像処理手段と、撮像条件設定手段で走査型電子顕微鏡を第２の撮像条件に設定した状態で抽出した異常部を撮像して得た画像を処理する第2の画像処理手段とを備えて構成した。

更にまた、本発明では、半導体デバイスの欠陥観察装置を、走査型電子顕微鏡手段と、
この走査型電子顕微鏡で検査対象試料を観察するための撮像条件を設定する撮像条件設定手段と、この撮像条件設定手段で走査型電子顕微鏡手段を第1の撮像条件に設定した状態で検査対象上の複数の検査領域を撮像して得られた画像を設計データと比較して異常部を抽出する第1の画像処理手段と、撮像条件設定手段で走査型電子顕微鏡手段を第２の撮像条件に設定した状態で第1の画像処理手段で抽出した異常部を撮像して得た画像を処理して異常部を分類して分類ごとに予め設定した部分の寸法を計測する第2の画像処理手段と
を備えて構成した。

本発明によれば第１の撮像条件においてはＳＥＭの走査する電子ビームの電流量が大きく設定し，第２の撮像条件で直接観察するよりも高速な検査を可能にする。

また，本発明によれば，ステージ移動回数を削減できるために，第１の撮像条件においては，ＳＥＭの軸上から離れた位置と，軸上の位置において電子ビームの対象物上でのビーム径が大きく変化しないよう，検査対象上における電子ビームの開き角を小さく設定することで検査対象の位置をステージにより移動させることなく複数の検査領域を検査することで高速な検査を可能にする。

また，本発明では，ＳＥＭの軸上から離れた位置において，電子ビームのビーム径が増大しないように，対物レンズより検査対象に対して離れた方向に設置する２つの偏向器とともに対物レンズ内，または下方に第３の偏向器を設置し，仮想的に対物レンズを移動させることで更にＳＥＭの軸上から離れた位置におけるビーム径の増大を防ぐことができる。

また，本発明では，ＣＡＤデータとＳＥＭ画像との比較において，設計データの部位，たとえばライン部とコーナー部で異なる基準で異常部を抽出することで，安定した異常部抽出を実現することができる。

図１から２０を用いて本発明を説明する。

チップ上の微細図形の寸法が露光波長と同程度になった現在，光の近接効果を考慮したマスクパターンの補正技術（ＯＰＣ：optical proximity correction）が必須となっている。具体的には，光の回折現象などを考慮して，マスクパターン上の図形コーナ部などに補正用のパターンを追加する必要がある。このようなマスクパターンにおいては，同一のパターンピッチにおいてもプロセスの変動に応じて欠陥が発生しやすい箇所としにくい箇所が発生する。

このような欠陥が発生しやすい箇所をホットスポットと呼ばれ，リソグラフィシミュレーション等によりプロセスの変動に影響を受けやすい位置をＣＡＤ上で特定することができる。このホットスポットが少なくなるように，設計の変更が行われる必要があるが，この変更においては，リソグラフィシミュレーション等による設計時の仮説と実際との乖離がないかを評価する必要がある。

そこで，この実現のため，このホットスポットに相当するパターンを重点的に検査し，製造状態を管理することが重要である。パターンピッチの微細化に伴い，正常なパターンが形成されるプロセス条件はマージンが小さくなった結果，管理すべき検査領域の数も大幅に増大してきている。

このホットスポットに対応する検査にはＳＥＭを用いて高倍画像を取得し，パターン間の幅の計測等の検査が行われている。図１はホットスポットとその周辺をＳＥＭで撮像した一例を示す。１０１はＳＥＭ画像，１０２は設計データであり，一般に長方形の組み合わせで記述されている。１０３は観測すべき検査領域であり，プロセスの変動によりパターン形成が影響を受けやすい箇所である。

さて，マスクパターンの良否や，あるいはプロセス条件の決定には，多数の，プロセス変動の影響を受けやすい検査領域の検査を行う必要があるが，従来の方式では検査，計測時間の増大が引き起こされる。ＳＥＭ像を撮像する上で，時間の増大を引き起こす要因は，１）ＳＥＭ撮像を行う視野を移動させるためのステージ移動，
２）ＳＥＭの撮像時間
である。

そこで，本発明では，まず，ＳＥＭの電子ビームを走査する範囲を拡大することにより，ステージ移動回数を削減するようにする。

図２はウェーハのチップにおける検査ポイントを示している。２０１は半導体チップであり，チップ内に検査領域が多数存在する。チップのサイズはたとえば４mm程度であるのに対して，本発明で述べるＳＥＭの電子ビームを走査可能な範囲は数十μｍ〜数百μｍである。このため，半導体チップの全面に散らばる検査領域のＳＥＭ画像を取得するには複数回のステージ移動が必要である。そこで，ステージを移動せずに電子ビームを走査可能な矩形の検査領域２０２を図２に示すようにグルーピングする。

電子ビームを照射する領域がＳＥＭの中心軸から離れるとともに，コマ収差などにより電子ビームの検査対象上でのビーム径が増大し，これが電子ビームを走査可能な領域の限界を決定する。収差は，軸からの距離により決定されるため，図２と異なり，図３のように円形状に走査可能な検査領域３０２を設定することで，より妥当なグルーピングを行うこともできる。ただし，グルーピングの計算時間としては図２のような正方形状のグルーピングの方が効率的である。

ＳＥＭの撮像時間を短縮するため，電子ビームを走査できる領域全体から画像を撮像するよりも，検査領域のみに電子ビームを走査する。ただし，電子ビームを走査する際に，位置決め誤差が発生するため，必ずしも正確に電子ビームを走査できるとは限らない。そこで，検査領域に対して，位置決め誤差発生予測分オフセットを加えた領域に電子ビームを走査し，ＳＥＭ像を撮像する。このオフセットは典型的には１００nm程度である。なお，電子ビームの照射位置の位置決め誤差はCADデータと比較して位置決めを行い，補正する必要があるため，検査領域に位置決め誤差発生予測分のオフセットに位置合せができるよう，X,Y両方向にエッジがあるようにすることが望ましい。

図４で電子ビームの撮像領域を示す。４０１から４０５はそれぞれＳＥＭの撮像領域を示す。４０６と４０７は電子ビームの走査方向に隣接した検査領域であり，これらは別々に撮像するより，４０１に示すように，同時に撮像した方が短時間で撮像できる。一方，ほぼ同一であっても，電子ビームの走査方向と直交する方向に隣接していた場合，４０３と404に示すように別々に撮像した方が短時間で撮像できる。これはＳＥＭにおいて電子ビームを走査した場合，走査終点から，走査始点に電子ビームを振り戻すためのブランキング時間が必要となるため，電子ビームの走査方向に近接している場合においては，たとえ電子ビームの走査領域が多少増加しても一度の電子ビーム走査で複数の検査領域を走査した方が最終的に短時間で電子ビーム走査が完了するためである。このように，電子ビームの走査方向も考慮したグルーピングを行い，これに基づきＳＥＭ撮像を行う。

第１の実施例について、図５乃至図１６を用いて説明する。

先ず、図５に第１の実施例で用いる検査装置の全体構成を示す。ＳＥＭ本体５０の内部には、以下の電子光学系及び検出系を備える。５０１は電子源であり、電子ビーム５００を射出する。射出された電子ビーム５００は電子レンズ５０２、５０３を通過した後、電子ビーム軸調整器５０４により非点収差やアライメントずれを補正される。５０５と５０６のとは２段の偏向器であり電子ビーム５００を偏向し、電子ビーム５００を照射する位置を制御する。電子ビーム５００は対物レンズ５０７により収束されてウェーハ５０８の撮像対象領域５０９に対して照射される。撮像対象領域５０９からはこの結果、２次電子と反射電子が放出され、２次電子および反射電子は一次電子ビーム通過穴５１０’を有する反射板５１０に衝突し，そこで発生した二次電子が電子検出器５１１により検出する。検出器５１１で検出された2次電子および反射電子はA/Dコンバータ５１２でデジタル信号に変換され、メモリ５１３に格納される。なお，A/Dコンバータとメモリとの間には加算回路５２６が配置されている。

加算回路５２６は，電子ビーム５００を同一箇所に繰り返し走査する場合に，同一のビーム照射位置で得られた検出信号の加算平均（フレーム加算）を算出することで，ショットノイズを小さくすることを可能にする。５１４はＸＹステージであり、ウェーハ５０８を移動させ、ウェーハ５０８の任意の位置の画像撮像を可能にしている。５１５は画像処理ユニットであり、メモリ５１３で格納された画像より異常部を抽出する，あるいは異常部として既に抽出された領域の寸法測定や，画像の外観特徴の算出が行われる。

異常部の抽出方法としては、設計データ比較が可能であり，このため，CADデータか，あるいはこれを変換したデータが画像処理ユニット５１５に入力できるようにしておき，たとえば，ＳＥＭ画像より検出したパターン間のエッジ間隔とCADデータより求めた対応するパターン間のエッジ間隔を比較して差が予め設定した基準よりも大なる場合に異常部として抽出する。また、ＳＥＭ画像より求めた検査対象パターンのエッジ間隔とCADデータより求めた対応するパターンのエッジ間隔とを比較して差が予め設定した基準よりもの差が大なる場合に異常部として抽出しても良い。また、試料上のある特徴点を基準位置としてＳＥＭ画像より求めた検査対象パターンのエッジ位置とCADデータより求めた対応するパターンのエッジ位置との差が予め設定した基準よりも大なる場合に異常部として抽出しても良い。更に, 画像処理ユニット５１５はＳＥＭの電子ビーム走査時の位置ずれ補正をＳＥＭ画像とCADデータとのマッチングより求める。この方法としてたとえば正規化相関値の最大値をとる位置を，設計データとCADデータがマッチングをとれた位置として算出する方法を用いることができる。

５１６は二次記憶装置であり、メモリ５１３に格納された画像を記憶することが可能である。また，画像処理により得られた検査対象領域５０９の異常部や，異常部の外観特徴もメモリ５１３に格納することができる。５１７はコンピュータ端末であり、二次記憶装置５１６、あるいはメモリ５１３に格納された画像を表示することができる。また、ユーザは端末５１７に入力することにより、装置の様々な動作の設定を行うことができる。

５１８は全体制御系であり、５２１は電子ビームの電流量制御ユニット，５２２は偏向器５０５と５０６を制御する偏向制御ユニット，５２３は電子レンズ５０２と５０３と５０７を制御する電子レンズ強度制御ユニット，５２４はXYステージ５１４の移動による視野移動を制御するステージ制御ユニット，５２５は検査シーケンス全体を制御するシーケンス制御ユニットである。５１９はデータ入力部であり，検査対象領域５０９の座標，およびＳＥＭ画像と比較すべきCADデータが入力される。５２０はデータ変換部であり， CADデータをＳＥＭ画像とのマッチングを行いやすいように，ストロークデータから画像データへの変換を行う。

図５に示したＳＥＭ５０の電子光学系で検査対象領域５０９に電子ビーム５００を走査したときの収差を示したのが図６である。６０１はＳＥＭ５０の電子光学系の中心軸からの距離と収差との対応を示している。軸上で最も収差が小さいため，ビーム径も小さく，軸からはずれるに従い，収差が大きくなる。現在，ホットスポット部の検査を行っているCD-ＳＥＭ（Critical Dimension ＳＥＭ：測長ＳＥＭ）などで形状不良を検査する場合には，比較的良好な分解能を得ることができる６０２の領域のみを用いてＳＥＭ５０での撮像を行う。一方，本発明では，あらかじめ粗い分解能で異常部を抽出し，異常部のみ，良好な分解能で撮像するため，異常部の抽出のステップにおいては６０３の領域を用いて撮像し，異常部と判定された場合のみ６０２の領域を用いて高倍撮像を行う。

図７に，図５で説明した装置を用いた検査シーケンスを示す。まず，図２または図３で示したように，同一ステージ位置で撮像する検査領域をグルーピングする。ついで，図４で説明した，同時撮像を行う検査領域をグルーピングする。なお，７０１と７０２のステップは，リソグラフィーシミュレータ等の情報より，検査する領域が決定されれば，自動的に設定することができるため，必ずしも図５に示した装置内で行わずともよく，CADデータや検査領域座標の入力とともに，グルーピング情報を入力しても良い。

次に７０３のステップで電子光学系を低解像，高速撮像が可能な条件に設定する。高速な撮像を行うためには，
１）ＳＥＭ50の電子源５０１の放出する電子ビーム５００の電流量を大きくすること，
２）偏向器５０５,５０６での偏向スピードを大きくすること，
３）偏向器５０５,５０６が検査領域に対して電子ビーム５００を走査する際，同一箇所を繰り返し走査する回数を１度あるいは少数に設定し，これに応じて加算器５２６での加算回数（フレーム加算数）を少なく設定すること，
４）A/Dコンバータ５１２のサンプリング周波数と偏向器での偏向スピードにより，画素サイズが決定されるが，この画素サイズが大きくなるようなサンプリング周波数設定すること，
のうち幾つかの組み合わせが設定される。

７０４のステップでは，７０１のステップでグルーピングしたまだ未検査のグループの１つが選択され，これに属するすべての検査領域に電子ビーム走査が可能なように，XYステージ５２４が移動し，７０５のステップでは，このステージ位置で撮像するすべての７０２のステップでグルーピングした同時に撮像する検査領域のグループ毎にＳＥＭ撮像を行い，７０６のステップでこの撮像した画像を処理して異常部を抽出する。

すべての検査領域の撮像が終了したのち，７０６のステップで抽出された異常部の高解像度画像を撮像するため，７０７のステップにて高解像の撮像が行えるような電子光学系の撮像条件が設定される。すなわち，７０３のステップで設定した撮像条件とほぼ反対に，
１）電子源５０１の放出する電子ビームの電流量を小さくすること，
２）偏向器５０５,５０６での偏向スピードを小さくすること，
３）偏向器５０５,５０６が検査領域に対して電子ビームを走査する際，同一箇所を繰り返し走査し，これに応じて加算器５２６での加算回数（フレーム加算数）を多く設定すること，
４）画素サイズが小さくなるようなサンプリング周波数設定すること，
のうち幾つかの組み合わせが設定される。

ついで，７０８のステップにて，７０１及び７０２のステップと同様のグルーピングを行い，撮像シーケンスを決定する。ただし，高解像度撮像の設定となっているため，電子ビームを走査可能な範囲は狭くなり，多数の検査対象領域５０９がグルーピングされることは無い。ついで，７０９のステップにて，７０８のステップでグルーピングしたまだ未検査のグループの１つが選択され，これに属するすべての検査対象領域５０９に電子ビーム５００の走査が可能なように，XYステージ５２４が移動し，７１０のステップで，７０５のステップと同様にしてＳＥＭ撮像を行い，７１１のステップにて撮像した画像の詳細解析や分類が行われる。

図８に偏向した際の電子ビーム５００の軌道を示す。本発明で用いるＳＥＭ５０では２段の偏向器５０５と５０６を相反するように偏向することで検査対象領域５０９上での収差が小さくなるようにしているが，ＳＥＭ５０の光学的な中心軸からおおきくずれると，図９の９０１に示すように電子ビーム５００がレンズのそれぞれ異なる位置を通過することが主因となり，検査対象領域５０９上でコマ収差等が発生し，解像度が低下する。この現象は対物レンズ５０７に入射する際の電子ビーム５００の径を小さくすることにより，解消される。たとえばコマ収差の場合，対物レンズ５０７に入射する電子ビーム５００の径の２乗に比例して収差が発生するため，これを小さくすることにより，軸から離れた位置における検査対象上での電子ビーム５００の径を小さくすることができる。

このように設定した際の電子ビーム５００の軌道を示したのが図１０である。図１０では電子レンズ５０３の磁場を弱く設定することにより，電子ビーム５００の対物レンズ５０７上のビーム径が最小となるクロスポイント１００１を図８のそれよりも対物レンズ５０７により近い側に移動させることにより，これを実現する。

図１０のように対物レンズ５０７に入射する電子ビーム５００の径を小さくした場合には，
１）対物レンズ５０７における縮小倍率が大きくなる，
２）回折収差が大きくなる，
という２つの現象が発生するため，電子光学系の中心軸９００付近のビーム径は逆に大きくなる。
そこで，電子光学系の中心軸９００からの距離と収差との対応は図１１の１１０１に示すようになり，参考のために記載した図６の場合の収差特性を示すデータ601と比べて電子光学系の中心軸から離れた位置においても収差の増大が穏やかであるため，電子ビーム５００を走査できる領域を拡大することができる。また，電子光学系の軸中心９００と軸周辺でビーム径が大きく変化しないことは，画像処理の処理内容を均一にする上で効果がある。また，高速な異常部抽出を行う上でも効果がある。

高速な撮像をおこなうためには，電子ビーム５００の走査間隔を広く設定する必要があるが，一方において，電子ビーム５００の径が小さいまま，走査間隔を広げるとエイリアシングが発生する。検査対象領域５０９上での電子ビーム５００の強度プロファイルがガウス分布を持つと仮定すれば，電子ビーム５００による空間遮断周波数特性もガウス分布となり，電子ビーム５００の径に対して，遮断周波数は反比例する特性をもつ。

この電子ビーム径による遮断周波数が高く，電子ビームの走査間隔によってきまるサンプリング周波数の１／２を超えれば，エイリアシングによる疑似模様が発生する恐れが高くなる。このとき，撮像対象領域５０９に微細構造のパターンがある場合の説明図が図１２である。図１２において丸印で表した１２１１〜１２１４は電子ビーム５００が検査対象領域５０９に照射された状態（照射スポット）を示している。一方、１２０２〜１２０６は検査対象領域５０９におけるパターンと下地であって、１２０２，１２０４，１２０６が下地，１２０３，１２０５がパターンを表している。

図１２に示すような領域を1201のビーム径を有する電子ビーム５００を矢印の方向に走査することを上の矢印から順次下側の矢印へ移動させることを4回繰り返した場合，１２０４の下地は撮像されなくなってしまい，本来のパターンと異なる擬似模様が撮像されることになる。一方，同じ領域を図１３の１３０１〜１３０４に示すようなより大きなビーム径を有する電子ビーム５００で走査すれば，１２０４を含む領域の明度情報が撮像されるため，擬似模様を発生させることがない。このように，電子ビーム５００の走査間隔を広げた高速な撮像においては，電子光学系の中心軸９００におけるビーム径を走査間隔に応じて大きくすることが必要になり，このため，図１０に示したような光学系の設定が有利であり，図７の検査シーケンスにおける７０３のステップにおいて，設定する条件の一つとすることが望ましい。

次に、電子光学系の変形例として，図１４に示す構成について説明する。図１４の電子光学系では，図５のそれと異なり，第３の偏向器１４０１を対物レンズ５０７の内側，あるいは下に配置する。このうち図14には、対物レンズ５０７の内側に配置した例を示す。図５の電子光学系に対して，更に電子ビーム５００の走査領域を広げるためには，電子ビーム５００が対物レンズ５０７において大きく角度変化がされないよう，対物レンズ５０７の光軸中心へ電子ビーム５００を曲げようとする力と反対方向に電子ビーム５００を偏向させるようにする。ただし，この場合には電子ビーム５００が検査対象に対して法線方向から入射できなくなるため，許容できる範囲内で偏向する。この偏向器１４０１は対物レンズ５０７の内側，あるいは下側にあるため，偏向器５０５，５０６よりも電子ビーム５００に対して大きな磁場，あるいは電界を形成する必要があり，高速な偏向を行うことはできない。このため，偏向器１４０１による偏向は図７のシーケンスの７０５のステップの撮像を開始する前にのみ偏向する値を設定し，７０５のステップ内での電子ビーム５００の走査は偏向器５０５と５０６とで制御するようにする。

次に，図７の７０６のステップで実施する異常部の抽出処理について説明する。図１５（ａ）の１５０１はＳＥＭにより取得した画像であり，境界部１５０２と１５０３とを含んだ領域1504が画像処理により，異常部の有無を判定すべき領域である。ここで対応するＣＡＤデータが図１５（ｂ）に示すようなパターン1５０５１５０６であり，一般に矩形領域の折れ曲がり直線で記述されているため，特にコーナー部が実際のＳＥＭ画像と異なっている。これをそのまま用いてＳＥＭ画像とCADデータを比較すると，コーナー部を欠陥として判定してしまう。

そこで，本発明では，まず，折れ曲がり直線で近似されているパターンをパターン毎に塗りつぶした２値化画像に変化させたのち，ガウス等の等方的な関数によりフィルタリングをかけた後，再度２値化することにより，図１５（ｃ）の１５０７，１５０８に示すような丸みを帯びたコーナーを持つパターンを得る。ついで，パターン1５０７，1５０８の境界位置を求めて図１５（ｄ）に示すようなエッジ画像，１５０９，１５１０を得，各エッジ画像の各位置毎のエッジと同方向の図１５（ａ）のＳＥＭ画像上でのエッジをその近傍より探索し，対応をとることと，ＳＥＭ画像上の大きな強度のエッジに対応するＣＡＤ上のエッジを探索し，対応をとることで，形状の変化と，本来ないパターンの発生，パターンの消失，断線を抽出する。

このとき，課題になるのが，折れ曲がり直線で形成されていたＣＡＤデータのコーナー部における形状信頼性である。本発明では，ガウス等の等方的な関数によりフィルタリングをかけることにより，ＳＥＭ画像により類似したパターンにすることができるが，このフィルタ関数は必ずしもプロセスによって等しくないし，また，形状によっても変化するため，実ＳＥＭ画像と一致するとは限らない。

そこで，本発明では，場所ごとに異常部抽出しきい値を変化させることでこれに対応させる。本フィルタ関数による近似は，直線状のパターンにおいては，比較的精度が良く，一方，コーナーや，ラインの終端においては精度が悪いことが判っており，これらの部分では，もとのＣＡＤデータのライン部と，フィルタリングにより近似したパターンのエッジ部との距離が離れている。そこで，異常判定の基準を，この近似したパターンと元のＣＡＤデータの形状との比較より，算出する。

本方式により異常部を抽出する際の，更なる課題は，比較的大きな画素サイズ，大きなビーム径で画像を検出した際のＳＥＭ像におけるエッジ部の明度低下である。図１６の１６０１に示すような立体的なパターンに電子ビーム１６０２が照射されると，電子ビーム１６０２は１６０１の内部に侵入しながら，２次電子を発生させる。２次電子がＳＥＭに検出されるためにはこの検査対象内部で発生した２次電子がパターン外に放出されることが必要であるが，パターンエッジにおいては，平面的な箇所に比較し，2次電子が発生した領域から外部までの距離が短くなるため，パターンエッジでＳＥＭが検出する２次電子が多くなり，明瞭なエッジを検出することができる。しかし，このビーム径が大きくなると，ビームが照射されて発生する2次電子全体に対するエッジ部から放出される２次電子の割合が小さくなるため，パターンエッジ部での明度の向上割合が低下し，画像処理による安定したエッジ検出が困難になる。

第1の実施例において、比較的大きな画素サイズ，大きなビーム径で画像を検出する際に、このビーム径が大きくなると，ビームが照射されて発生する２次電子全体に対するエッジ部から放出される2次電子の割合が小さくなるため，パターンエッジ部での明度の向上割合が低下し，画像処理による安定したエッジ検出が困難になる。

この課題に対しては，電子ビームの照射により発生する2次電子，あるいは反射電子を撮像対象から放出される方向毎に異なる検出器で検出することが有効である。この課題を解決するための手段を、第２の実施例として以下に説明する。

図１７に示した構成は、図５に示した構成とほぼ同一の構成であるが，２つの検出器１７０１,1７０２を備えており，それぞれ，検査対象から放出された電子のうち，ＳＥＭの中心軸９００から角度をもって放出された電子をそれぞれ検出し， A/D変換器５１２に入力できるようになっている。これを加算器５２６で同一位置での走査毎に加算し，メモリ５１３で独立に画像を蓄積し，画像処理ユニット５１５ので画像処理を行い，異常部抽出ができるようになっている。

各検出器５１１，１７０１,1７０２でそれぞれ撮像したパターンの明度変化を図１８に示す。図１８（ａ）の１８０１，１８０２のはそれぞれパターンの平面図を示し、Ａ−Ａ断面の断面形状プロファイルを図１８（ｂ）の１８０３に示す。このような断面プロファイルを有するパターンに電子ビーム５００を照射して各検出器５１１，１７０１,1７０２で検出した電子の明度プロファイルがそれぞれ，１８０４，１８０５１８０６である。ビームプロファイルの拡大により，検出器５１１で検出する信号では，パターンエッジの部分が明るく光るエッジ効果があまり発生しなくなっている。この現象は，さらに，検査対象がレジストである場合など，電子ビームによる形状変化を抑えるために，電子ビームの加速電圧を低く設定した場合，対象内部での２次電子が発生する範囲が小さくなるため，さらにエッジ効果の発生は少なくなる。

一方，斜方に放出される電子を検出器１７０１及び1７０２で検出して得られる明度プロファイル１８０５、１８０６では，比較的エネルギーの高い電子が検出される傾向があるため，検出器５１１で検出して得られる明度プロファイル１８０４よりもエッジ効果は発生しないものの，近年の配線間距離に対して配線高さが高いパターン（アスペクト比が高いパターン）においては配線間に照射された電子ビームにより斜方に放出される電子は隣接するパターンに衝突し，検出されなくなるため，下地部は配線上に対して暗く検出される。このため，暗い部分が下地，明るい部分がパターンと判断することが可能になる。ただし，検出器１７０１と1７０２のように対向して２検出器のみ配置した場合には，検出器１７０１と1７０２の電子を検出する方向にパターンがない場合には，下地が暗く検出されないので，配線エッジの検出は困難になる。このため，各検出器５１１，１７０１，１７０２のより検出した画像を相補的に用いて，安定なパターン検出を行い，第1の実施例で説明した方法と同様にＣＡＤデータと比較して異常部を抽出する。

異常部を抽出したのちは，７０７のステップにて高解像撮像の設定にしたのち，高解像画像を撮像し，７１１のステップにて画像の解析，分類を行う。ここでは高解像度で撮像した画像をもとに，ＣＡＤデータとの比較を行い，形状の変化を検出し，寸法変化を出力するとともに，分類を行う。この分類としては，たとえば図１９に示すような分類がある。図１９（ａ）の正常パターン１９０１に対して，図１９（ｂ）は太り１９０２，図１９（ｃ）は細り１９０３，図１９（ｄ）は細ブリッジ１９０４，図１９（ｅ）は太ブリッジ１９０５，図１９（ｆ）は断線１９０６，図１９（ｇ）は異物１９０７である。分類した結果は，端末５１７に表示，記憶装置５１６に記録するとともに，分類毎に異なる寸法計測方法の選択を行う。例えば，図１９（ｂ）の太り１９０２，及び、図１９（ｃ）の細り１９０３は本来あるべきパターン幅からの増減幅，図１９（ｄ）の細ブリッジ１９０４, 図１９（ｅ）の太ブリッジ１９０５はブリッジ幅，図１９（ｆ）の断線１９０６は断線幅，図１９（ｇ）の異物１９０７は異物のXおよびY投影長，といったように，異常毎にユーザが着目する寸法結果を表示させる。

図２０にコンピュータ端末５１７への分類結果および寸法計測結果の表示画面を示す。図２０（ａ）の２００１はウェーハマップであり，抽出した異常部が分類結果毎に異なる色，あるいはマークで表示される。図２０（ｂ）の２００２は半導体チップにおける異常部の分布状態を示しており，図２０（ａ）の２００１と同様に分類結果毎にことなるマーキングがされている。図２０（ａ）の２００１には選択された異常部のチップ，図２０（ｂ）の２００２にはチップ内座標が示されている。撮像した画像は図２０（ｃ）の２００３のように表示され，異常部の計測した寸法と，分類結果が示される。

本発明では，検査領域をリソグラフィーシミュレータで求めた，欠陥が発生しやすい領域としたが，必ずしもこれには限定されずに検査領域を決定することができる。例えば，ウェーハの周辺領域に形成されたメモリセルのセル境界に近接したセル部など，欠陥が発生する可能性の高い領域や，あるいは，過去にシステマティックな欠陥が発生したポイント，下層のレイヤーの配線密度が厚く，ＣＭＰを行った際の削り量が大きくなるポイントなどを検査領域として設定することも可能である。

検査領域の一例を示す回路パターンの平面図である。 検査する際に画像撮像が可能なようにステージを移動させる位置を決定するために矩形の領域でグルーピングする例を示す半導体チップの平面図である。 検査する際に画像撮像が可能なようにステージを移動させる位置を決定するために円形の領域でグルーピングする例を示す半導体チップの平面図である。 電子ビームを走査する領域の一例を示す半導体チップの平面図である。 第1の実施例における検査装置全体の概略構成を示すブロック図である。 電子光学系中心軸からの距離と収差との関係を示すグラフである。 欠陥自動撮像方式の処理手順を示すシーケンス図である。 電子ビーム軌道の一例を示す電子光学系のブロック図である。 電子光学系中心軸からの距離が大きい場合の収差増大を説明する電子光学系の一部分を示す図である。 電子ビーム軌道の他の例を示す電子光学系のブロック図である。 低解像撮像時と高解像度撮像時それぞれの電子光学系中心軸からの距離と収差との関係を示すグラフである。 電子ビーム径が小さい場合の疑似模様発生メカニズムの説明する検査対象パターンを電子ビームスポットとの関係を示す図である。 疑似模様発生抑制を行う電子ビーム走査方法の一例と検査対象パターンを電子ビームスポットとの関係を示す図である。 電子光学系の偏向器配置の一実施例を示す電子光学系のブロック図である。 （ａ）は検査対象パターンの平面図、（ｂ）は設計データから得た検査対象パターンの輪郭図、（ｃ）は設計データを画像処理して得た丸みを帯びたコーナを持つパターンの平面図、（ｄ）は（ｃ）のパターンから輪郭情報を求めて作成した図である。 エッジ部におけるＳＥＭ像明度増大を説明するためのパターン断面の拡大図である。 第2の実施例における検査装置全体の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は検査対象パターンの平面図、（ｂ）は検査対象パターンの断面図、（ｃ）は検査対象パターンを電子線で走査したときに検出器５１１で検出される信号を示す信号波形図、（ｄ）は検査対象パターンを電子線で走査したときに検出器１７０１で検出される信号を示す信号波形図（ｅ）は検査対象パターンを電子線で走査したときに検出器１７０２で検出される信号を示す信号波形図である。 （ａ）は正常パターンを高解像で撮像して得たＳＥＭ画像、（ｂ）は太りパターンを高解像で撮像して得たＳＥＭ画像、（ｃ）は細りパターンを高解像で撮像して得たＳＥＭ画像、（ｄ）は細ブリッジパターンを高解像で撮像して得たＳＥＭ画像、（ｅ）は太ブリッジパターンを高解像で撮像して得たＳＥＭ画像、（ｆ）は断線パターンを高解像で撮像して得たＳＥＭ画像、（ｇ）は異物を高解像で撮像して得たＳＥＭ画像である。 （ａ）分類結果として異常部の分布をウェーハマップ形式で表示した状態を示す表示画面の正面図、（ｂ）分類結果として半導体チップ内の異常部の分布を表示した状態を示す表示画面の正面図、（ｃ）異常部のＳＥＭ画像を示す表示画面の正面図である。

符号の説明

５０１・・・電子源 ５０２・・・電子レンズ ５０３・・・電子レンズ
５０４・・・電子ビーム軸調整器 ５０５・・・偏向ユニット
５０６・・・偏向ユニット ５０７・・・対物レンズ ５０８・・・ウェーハ
５０９・・・撮像対象 ５１０・・・ＥｘＢ ５１１・・・電子検出器
５１２・・・A/Dコンバータ ５１３・・・メモリ ５１４・・・ＸＹステージ ５１５・・・画像処理ユニット ５１６・・・二次記憶装置
５１７・・・コンピュータ端末 ５１８・・・全体制御系
５１９・・・データ入力部 ５２０・・・設計データ変換部
５２１・・・電子ビームの電流量制御ユニット ５２２・・・偏向制御ユニット
５２３・・・電子レンズ強度制御ユニット ５２４・・・ステージ制御ユニット
５２５・・・シーケンス制御ユニット
５２６・・・加算回路

Claims (10)

1. 走査型電子顕微鏡を用いて検査対象試料上の欠陥を観察する方法であって、
   前記検査対象試料上の観察すべき複数の検査領域をグルーピングし、
   該グルーピングした観察すべき複数の検査領域を第1の撮像条件に設定した走査型電子顕微鏡で撮像して該観察すべき複数の検査領域の第1の倍率の画像を取得し、
   該取得した複数の検査領域の画像を設計データと比較して異常部を抽出し、
   該抽出した異常部を第２の撮像条件に設定した前記走査型電子顕微鏡で撮像して該抽出した異常部の前記第1の倍率よりも高い第2の倍率の画像を取得することを特徴とする半導体デバイスの欠陥観察方法。
2. 前記検査領域をグルーピングする工程において、前記検査対象試料上の複数の検査領域に対して，検査領域すべてが，前記検査対象を撮像する電子顕微鏡の電子ビームの走査範囲に前記検査領域が入るよう第１のグルーピングを行い，前記グルーピングにより生成した検査領域群をさらに，電子顕微鏡で同時に撮像する検査領域群に第２のグルーピングを行い、前記第1の倍率の画像を取得する工程において、前記第２のグルーピングを行った複数の検査領域を前記第1の撮像条件に設定した走査型電子顕微鏡で撮像することを特徴とする請求項1記載の半導体デバイスの欠陥観察方法。
3. 走査型電子顕微鏡を用いて検査対象試料上の欠陥を観察する方法であって、
   前記検査対象試料上の観察すべき複数の検査領域が第1の撮像条件に設定した走査型電子顕微鏡の電子線走査範囲に入るように設置した状態で前記第1の撮像条件で撮像して該観察すべき複数の検査領域の画像を取得し、
   該第1の撮像条件で撮像して取得した複数の検査領域の画像を設計データと比較して異常部を抽出し、
   該抽出した異常部を前記走査型電子顕微鏡を前記第1の撮像条件より高い分解能である第２の撮像条件に設定して撮像して画像を取得することを特徴とする半導体デバイスの欠陥観察方法。
4. 走査型電子顕微鏡を用いて検査対象試料上の欠陥を観察する方法であって、
   検査対象試料上の複数の検査領域を走査型電子顕微鏡の電子線走査範囲に入れて第1の撮像条件で撮像し，
   該第1の撮像条件で撮像して得た前記複数の検査領域画像を設計データと比較して異常部を抽出し，
   該抽出した異常部を前記走査型電子顕微鏡を前記第1の撮像条件より高い分解能である第2の撮像条件に設定して撮像し、
   前記設計データとの比較結果をもとに前記第2の撮像条件で撮像して得た異常部の画像を分類し，
   該分類した結果に基づいて分類ごとに予め設定した部分の寸法を計測し，
   前記分類結果と前記寸法の計測結果とを前記撮像して得た画像とともに表示する ことを特徴とする半導体デバイスの欠陥観察方法。
5. 前記第１の撮像条件における前記走査型電子顕微鏡の電子ビームの電流量は前記第２の撮像条件における前記走査型電子顕微鏡の電子ビームの電流量よりも大きいことを特徴とする請求項1又は3又は４の何れかに記載の半導体デバイスの欠陥観察方法。
6. 前記第１の撮像条件における前記走査型電子顕微鏡の１画素あたりの撮像時間は前記第２の撮像条件における前記走査型電子顕微鏡の１画素あたりの撮像時間よりも短いことを特徴とする請求項1又は3又は４の何れかに記載の半導体デバイスの欠陥観察方法。
7. 検査対象試料を載置して平面内で移動可能なテーブルを備えた走査型電子顕微鏡と、
   該走査型電子顕微鏡で検査対象試料を観察するための撮像条件を設定する撮像条件設定手段と、
   該撮像条件設定手段で設定した第1の撮像条件における前記走査型電子顕微鏡の撮像視野内に前記検査対象試料上の観察すべき複数の検査領域が入るように前記走査型電子顕微鏡のテーブルを制御するテーブル制御手段と、
   前記撮像条件設定手段で第1の撮像条件に設定した前記走査型電子顕微鏡で撮像して得た前記複数の検査領域の画像を設計データと比較して異常部を抽出する第1の画像処理手段と、
   前記撮像条件設定手段で前記走査型電子顕微鏡を前記第1の撮像条件より高い分解能である第２の撮像条件に設定した状態で前記抽出した異常部を撮像して得た画像を処理する第2の画像処理手段とを備えたことを特徴とする半導体デバイスの欠陥観察装置。
8. 走査型電子顕微鏡手段と、
   該走査型電子顕微鏡で検査対象試料を観察するための撮像条件を設定する撮像条件設定手段と、
   該撮像条件設定手段で走査型電子顕微鏡手段を第1の撮像条件に設定した状態で検査対象上の複数の検査領域を撮像して得られた画像を設計データと比較して異常部を抽出する第1の画像処理手段と、
   前記撮像条件設定手段で走査型電子顕微鏡手段を前記第1の撮像条件より高い分解能である第２の撮像条件に設定した状態で前記第1の画像処理手段で抽出した異常部を撮像して得た画像を処理して前記異常部を分類して分類ごとに予め設定した部分の寸法を計測する第2の画像処理手段とを備えたことを特徴とする半導体デバイスの欠陥観察装置。
9. 前記撮像条件設定手段は、前記検査対象試料上の複数の検査領域に対して，検査領域すべてが，前記検査対象を撮像する電子顕微鏡の電子ビームの走査範囲に前記検査領域が入るよう第１のグルーピングを行い，前記グルーピングにより生成した検査領域群をさらに，走査型電子顕微鏡手段で同時に撮像する検査領域群に第２のグルーピングを行い、前記第1の画像処理手段は、前記第２のグルーピングを行った複数の検査領域を前記第1の撮像条件に設定した走査型電子顕微鏡で撮像して得た画像を処理することを特徴とする請求項7又は8に記載の半導体デバイスの欠陥観察装置。
10. 前記撮像条件設定手段は、第１の撮像条件における前記走査型電子顕微鏡の電子ビームの電流量を前記第２の撮像条件における前記走査型電子顕微鏡の電子ビームの電流量よりも大きく設定することを特徴とする請求項7又は8に記載の半導体デバイスの欠陥観察装置。

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