检查方法和系统以及使用其检查半导体器件的方法与流程

对相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2016年3月3日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0025805号的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用整体合并于此。

本发明构思涉及一种检查方法和系统以及使用该检查方法和系统检查半导体器件的方法。

背景技术：

由于半导体器件的小型化(small-sized)、多功能和/或低成本特性，半导体器件是电子工业中的重要元件。可以使用诸如光刻、蚀刻、沉积、离子注入和清洗工艺的各种工艺来制造半导体器件。

执行检查处理以检查制造的半导体器件的图案是否存在任何故障。通过执行检查处理，能够优化制造工艺的工艺条件并且在早期阶段确定半导体器件中是否存在任何故障。

随着半导体器件规模减小，对能够可靠地测量半导体器件中的精细图案的尺寸的方法和系统存在日益增长的需求。

技术实现要素：

本发明构思的一些实施例提供了一种被配置为在减少的处理时间内检查样品的方法和系统。

本发明构思的一些实施例提供了一种经济地(costeffectively)检查半导体器件的方法。

在一个方面中，一种检查样品的方法可以包括：对样品的目标图案执行聚焦操作。聚焦操作可以包括以不同聚焦高度(level)扫描目标图案以获得多个聚焦图像。该方法还可以包括使用多个聚焦图像中的至少一个作为目标图案的目标图案图像，并且然后基于目标图案图像测量目标图案的尺寸。

在另一方面中，一种用于检查样品的系统可以包括：图像扫描单元，被配置为获得形成在样品上的图案的图像；以及控制器，被配置为控制图像扫描单元。控制器可以被配置为控制图像扫描单元以不同聚焦高度对图案执行扫描操作并且获得多个聚焦图像。该系统还可以包括：数据处理单元，被配置为将多个聚焦图像中的至少一个存储为图案的图案图像并且基于图案图像测量图案的尺寸。

在另一方面中，一种检查半导体器件的方法可以包括：提供具有目标图案的半导体基板；在半导体基板上安置图像扫描单元；操作连接到图像扫描单元的控制器，以控制图像扫描单元以不同聚焦高度对目标图案执行扫描操作并且获得多个聚焦图像；操作连接到图像扫描单元的数据处理单元，以将多个聚焦图像中的至少一个存储为目标图案的目标图案图像并且基于目标图案图像测量目标图案的尺寸；以及检查目标图案的尺寸是否在可允许范围内。

在另一方面中，一种检查样品的方法可以包括：对样品的图案执行聚焦操作。聚焦操作可以包括在第一方向上在彼此间隔的不同聚焦高度扫描图案以获得多个聚焦图像。该方法还可以包括：使用多个聚焦图像中的至少一个作为图案的图案图像并且基于图案图像测量图案的尺寸。

附图说明

根据结合附图对实施例进行的下面的描述，本总体发明构思的这些和/或其他方面和优点将变得清楚和更加容易理解。

图1是示出根据本发明构思的一些实施例的样品检查系统的示意图。

图2是示出根据本发明构思的一些实施例的样品检查方法的流程图。

图3是示出图2的步骤s200的操作的流程图。

图4是示出图2的步骤s300的操作的流程图。

图5是示出图2的步骤s500的操作的流程图。

图6是示出图2的步骤s600的操作的流程图。

图7是示出要由图1的图像扫描单元执行的聚焦高度可调节扫描操作的示意图。

图8是图7所示的部分'q'的放大图。

图9是示出由图1的图像扫描单元获得的聚焦图像的图像特性的曲线图。

图10是示出使用根据本发明构思的一些实施例的样品检查方法来检查半导体器件的方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考在附图中示出其示例的本总体发明构思的实施例，在附图中，相同的附图标记始终指代相同的元件。以下通过参考附图来描述实施例以便解释本总体发明构思。

图1是示出根据本发明构思的一些实施例的样品检查系统500的示意图。

参考图1，样品检查系统500可以包括图像扫描设备200和计算机300。图像扫描设备200可以包括其中可以安置样品10的腔室100和图像扫描单元110。图像扫描单元110连接到腔室100并且被配置为从样品10中的图案获得图像。可以在腔室100中提供其上可以加载样品10的台架(stage)102。图像扫描设备200可以被配置为执行非破坏性测试。作为示例，图像扫描单元110可以是扫描电子显微镜(sem)，并且腔室100可以是真空腔室。

计算机300可以控制图像扫描设备200从样品10获得图像数据，并且可以处理由图像扫描设备200获得的图像数据。例如，计算机300可以包括被配置为控制图像扫描设备200的控制器120、被配置为处理各种数据类型的信息的数据处理单元130以及被配置为存储各种数据类型的信息的库140。库140例如可以包括硬盘驱动和/或非易失性半导体存储器设备，例如，闪速(flash)存储器设备、相变存储器设备和/或磁存储器设备等。数据处理单元130可以与图像扫描单元110、控制器120和库140通信。控制器120可以与数据处理单元和图像扫描单元110通信。控制器120、数据处理单元130和库140中的每个的功能将在下面更加详细地描述。尽管未示出，但是计算机300还可以包括输入/输出单元和接口单元。输入/输出单元可以包括键盘、键区和/或显示设备等。由图像扫描设备200获得的图像数据可以通过接口单元传送到计算机300。另外，由计算机300处理的数据可以通过接口单元被传送到图像扫描设备200。接口单元可以包括例如有线元件、无线元件、通用串行总线(usb)端口等。控制器120、数据处理单元130、库140、输入/输出单元和接口单元可以经由至少一个数据总线彼此耦合。

样品检查系统500可以用于对样品——例如，样品10——执行检查处理。在下文中，将参考图2至图9描述根据本发明构思的一些实施例的样品检查方法。

图2是示出根据本发明构思的一些实施例的样品检查方法的流程图。图3是示出图2的步骤s200的操作的流程图，而图4是示出图2的步骤s300的操作的流程图。图5是示出图2的步骤s500的操作的流程图，而图6是示出图2的步骤s600的操作的流程图。图7是示出要由图1的图像扫描单元110执行的聚焦高度可调节扫描操作的示意图，而图8是图7的部分'q'的放大图。图9是示出由图1的图像扫描单元110获得的聚焦图像的图像特性的曲线图。

参考图1和图2，样品10可以被加载在图像扫描设备200的腔室100中的台架102上。样品10可以是例如其上提供有精细图案的晶片。精细图案可以包括：要测量其尺寸的目标图案；以及与目标图案间隔以提供关于目标图案的位置的信息的参考图案。作为示例，参考图案可以具有与邻近其的其他图案可区分的特有形状，并且目标图案可以是规则排列的精细图案之一。

图像扫描单元110可以被定位在样品10上，以对样品10的参考图案执行聚焦操作(s100)。

首先，将参考图7至图9描述图像扫描单元110的聚焦操作。聚焦操作可以包括扫描样品10的其上具有精细图案20的表面10s。可以在扫描样品10的表面10s期间调节图像扫描单元110的聚焦高度，如图7和图8所示。精细图案20可以包括参考图案和/或目标图案。图像扫描单元110的焦点可以形成在样品10的表面10s上。在该实施例中，样品10的表面10s可以定义为被定位在相对于图像扫描单元110的例如第三聚焦高度fl3的聚焦高度处。图像扫描单元110的聚焦高度的调节可以包括在与样品10的表面10s垂直的方向——例如，z方向——上，将图像扫描单元110的聚焦高度从fl3的聚焦高度改变为其他聚焦高度，例如，第一聚焦高度fl1、第二聚焦高度fl2或第四聚焦高度fl4。第四聚焦高度fl4可以在z方向上在第三聚焦高度fl3之上并且与其间隔。第二聚焦高度fl2可以在z方向上在第三聚焦高度fl3之下并且与其间隔。第一聚焦高度fl1可以在z方向上在第二聚焦高度fl2之下并且与其间隔。可以在每个聚焦高度(即，第一聚焦高度至第四聚焦高度fl1、fl2、fl3或fl4)并且在与样品10的表面10s基本上平行的平面——例如，x-y平面——上执行扫描操作。x-y平面可以与样品10的表面10a基本上平行，并且z方向可以与x-y平面基本上垂直。可以执行聚焦操作来在多个聚焦高度——即，第一聚焦高度至第四聚焦高度fl1、fl2、fl3和fl4——中的每个获得聚焦图像。本发明构思被描述为具有第一聚焦高度至第四聚焦高度fl1、fl2、fl3和fl4；然而，本发明构思不限于此。例如，本发明构思可以包括多于或少于四个聚焦高度。

在一些实施例中，图像扫描单元110可以是扫描电子显微镜。例如，图像扫描单元110可以被配置为采用电子束e扫描样品10的表面10s。在这样的实施例中，电子束e的焦点可以形成在样品10的表面10s上，并且在该实施例中，样品10的表面10s可以定义为被放置在相对于图像扫描单元110的例如第三聚焦高度fl3的聚焦高度处。可以在x-y平面上对样品10的表面10s执行图像扫描单元110的扫描操作。可以在图1的控制器120的控制下改变图像扫描单元110的聚焦高度。可以在与样品10的表面10s或x-y平面垂直的方向——即，z方向——上执行图像扫描单元110的聚焦高度的改变。在图像扫描单元110是扫描电子显微镜的实施例中，可以控制图像扫描单元110中产生的电场以改变电子束e的传播方向，并且从而改变图像扫描单元110的聚焦高度。在每个改变后的聚焦高度处，例如第一聚焦高度fl1、第二聚焦高度fl2和/或第四聚焦高度fl4，图像扫描单元110可以在与x-y平面平行的方向上对样品10的表面10s执行扫描操作。

也就是说，对样品10的精细图案20的聚焦操作可以包括在与x-y平面平行的方向上、在沿z方向彼此间隔的第一聚焦高度至第四聚焦高度fl1、fl2、fl3和/或fl4中的每个处执行扫描操作。因此，可以分别地在第一聚焦高度至第四聚焦高度fl1、fl2、fl3和fl4处获得多个聚焦图像img1、img2、img3和img4，如图9所示。图9的曲线图的x轴表示聚焦高度fl，而图9的曲线图的y轴表示分辨率。多个聚焦图像img1、img2、img3和img4可以具有不同的分辨率。聚焦图像img1、img2、img3和img4中的最高分辨率的图像可以被选择为最佳聚焦图像，例如聚焦图像img3；并且最佳聚焦图像的聚焦高度——例如第三聚焦高度fl3——可以被定义为最佳聚焦。

参考回到图1和图2，对参考图案20的聚焦操作可以包括扫描样品10的具有参考图案的表面10s，并且在这样的扫描操作期间，图像扫描单元110的聚焦高度可以在多个聚焦高度之间调节，如参考图7至图9所述。因此，可以在每个聚焦高度处获得参考图案的多个第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r。第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r中的最高分辨率的图像可以被选择为第一最佳聚焦图像，例如聚焦图像img3r，并且，例如聚焦图像img3r的第一最佳聚焦图像的聚焦高度——例如第三聚焦高度fl3——可以被定义为最佳聚焦。

参考图1、图2和图3，在对参考图案的聚焦操作之后，可以从参考图案获得参考图案图像(s200)。获得参考图案图像可以包括操作图1的数据处理单元130，以从图像扫描单元110获得第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r(s210)，并且选择第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r中的至少一个作为参考图案的参考图案图像(s220)。在一些实施例中，第一最佳聚焦图像，例如聚焦图像img3r，或者例如聚焦图像img3r的第一最佳聚焦图像与其他第一聚焦图像——例如img1r、img2r和img4r——的合成图像可以被选择为参考图案图像。也就是说，数据处理单元130可以被配置为将第一最佳聚焦图像img3r或合成图像存储为参考图案图像。结果，可以从在对参考图案的聚焦操作期间获得的第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r获得参考图案图像，而无需对参考图案的额外的扫描操作。

参考图1、图2和图4，参考图案图像可以用于寻找目标图案的寻址操作(s300)。例如，图1的数据处理单元130可以被操作为或被配置为将参考图案图像与第一可比较对象图像进行比较并且识别参考图案(s310)。第一可比较对象图像可以存储在图1的库140中，并且可以用作用于识别参考图案的参考图像。数据处理单元130可以被配置为从库140提取第一可比较对象图像，并且基于参考图案图像与第一可比较对象图像是否一致来识别参考图案。之后，可以基于目标图案相对于参考图案的位置或地址信息来定位目标图案(s320)。目标图案的位置信息可以是存储在库140中的信息。如果参考图案被识别，则数据处理单元130可以从库140提取目标图案的位置信息。数据处理单元130可以向控制器120提供目标图案的位置信息。基于从数据处理单元130提供的目标图案的位置信息，控制器120可以控制图像扫描单元110将图像扫描单元110的成像区域从将参考图案移动到目标图案。

参考回到图1和图2，在响应于控制器120将图像扫描单元110的成像区域移动到目标图案之后，图像扫描单元110可以对样品10的目标图案执行聚焦操作(s400)。对目标图案的聚焦操作可以包括在不同聚焦高度——例如，在z方向上彼此间隔的第一聚焦高度fl1至第四聚焦高度fl4——处扫描样品10的具有目标图案的表面，如参考图7至图9所述。因此，可以获得目标图案的多个第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t。第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t中的最高分辨率的图像可以被选择为第二最佳聚焦图像，例如聚焦图像img3t，并且例如聚焦图像img3t的第二最佳聚焦图像的聚焦高度——例如第三聚焦高度fl3——可以被定义为最佳聚焦。

参考图1、图2和图5，在对目标图案的聚焦操作之后，可以从目标图案获得目标图案图像(s500)。获得目标图案图像可以包括操作图1的数据处理单元130以采用图像扫描单元110获得第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t(s510)，并且选择第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t中的至少一个作为目标图案的目标图案图像(s520)。在一些实施例中，第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t中的第二最佳聚焦图像，例如聚焦图像img3t，或者例如img3t的第二最佳聚焦图像与其他第二聚焦图像——例如，聚焦图像img1t、img2t和img4t——的合成图像可以被选择为目标图案图像。也就是说，数据处理单元130可以被配置为将第二最佳聚焦图像img3t或合成图像存储为目标图案图像。结果，可以从在对目标图案的聚焦操作期间获得的第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t获得目标图案图像，而无需对目标图案的额外的扫描操作。

获得目标图案图像还可以包括基于目标图案图像调节图像的图像属性，例如，亮度和对比度(s530)。数据处理单元130可以向控制器120提供目标图案图像。控制器120可以控制图像扫描单元110以基于从数据处理单元130提供的目标图案图像，调节从样品10获得的图像的亮度和对比度。图像扫描单元110可以是例如扫描电子显微镜，并且在这样的实施例中，为了调节从样品10获得的图像的亮度和对比度，控制器120可以控制图像扫描单元110调节从图像扫描单元110朝向样品10的表面10s传播的电子束e的入射角和/或施加到图像扫描单元110的加速电压。

参考图1、图2和图6，目标图案图像可以用于测量目标图案的尺寸(s600)。首先，可以将目标图案图像与第二可比较对象图像进行比较以识别目标图案(s610)。第二可比较对象图像可以存储在图1的库140中，并且可以用作用于识别目标图案的参考图像。数据处理单元130可以被配置为从库140提取第二可比较对象图像，以检查目标图案图像与第二可比较对象图像是否一致并且基于检查的结果识别目标图案。接下来，图像扫描单元110可以对所识别的目标图案执行扫描操作以获得图像数据(s620)。也就是说，数据处理单元130可以向控制器120提供目标图案的识别信息，并且图像扫描单元110可以在控制器120的控制下对所识别的目标图案执行扫描操作。之后，数据处理单元130可以基于从图像扫描单元110获得的图像数据测量目标图案的尺寸(s630)。在一些实施例中，图像扫描单元110可以是例如扫描电子显微镜，该扫描电子显微镜被配置为将电子束e发射到样品10的表面10s上，如图7所示。在这样的实施例中，从图像扫描单元110获得的图像数据可以包含关于从样品10的表面10s发射的二次电子的信息。在数据处理单元130中，关于二次电子的信息可以用于测量在样品10的表面10s上形成的目标图案的尺寸，例如线宽。基于图像数据测量的目标图案的尺寸可以被存储在库140中并且可以被显示在计算机300的输入/输出单元上。

图10是示出使用根据本发明构思的一些实施例的样品检查方法来检查半导体器件的方法的流程图。

参考图1和图10，可以提供具有参考图案和目标图案的样品10，例如半导体基板(s700)。作为示例，参考图案可以具有与邻近其的其他图案可区分的特有形状，并且目标图案可以是在半导体基板10上重复地形成的精细图案之一。参考图案可以被提供为与目标图案间隔并且可以用作用于寻找目标图案的位置参考，以及可以执行检查以测量目标图案的尺寸。半导体基板10可以被加载在台架102上，该台架102被提供在图像扫描设备200的腔室100中，并且图像扫描设备200的图像扫描单元110可以被放置在半导体基板10上(s710)。

可以操作连接到图像扫描单元110的控制器120以从参考图案获得多个第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r(s720)。可以通过使用图像扫描单元110对参考图案执行聚焦操作来获得第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r。也就是说，控制器120可以被配置为控制图像扫描单元110获得第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r。对参考图案的聚焦操作可以包括在不同聚焦高度——例如，在z方向上彼此间隔的第一聚焦高度fl1至第四聚焦高度fl4——处扫描具有参考图案的半导体基板10的表面，如参考图7至图9所述。

可以操作连接到图像扫描单元110的数据处理单元130获得参考图案的参考图案图像，并且可以使用参考图案图像来寻找目标图案(s730)。

获得参考图案图像可以包括从图像扫描单元110获得第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r，并且选择多个第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r中的至少一个作为参考图案图像，如参考图3所述。也就是说，数据处理单元130可以将从第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r中选择的第一最佳聚焦图像——即，具有最高分辨率的聚焦图像img3r——或者第一最佳聚焦图像img3r与其他第一聚焦图像img1r、img2r和img4r的合成图像存储为参考图案图像。

目标图案的寻找可以包括：操作数据处理单元130将参考图案图像与第一可比较对象图像进行比较并且识别参考图案；以及然后，基于关于目标图案相对于参考图案的位置或地址的信息寻找目标图案，如参考图4所述。数据处理单元130可以从库140提取目标图案相对于参考图案的位置信息，并且控制器120可以基于从数据处理单元130提供的目标图案的位置信息来控制图像扫描单元110，使得图像扫描单元110的成像区域从参考图案移动到目标图案。

可以操作连接到图像扫描单元110的控制器120从目标图案获得多个第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t(s740)。可以通过使用图像扫描单元110对目标图案执行聚焦操作来获得第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t。也就是说，控制器120可以控制图像扫描单元110以对目标图案执行聚焦操作。对目标图案的聚焦操作可以包括在不同聚焦高度——例如，在z方向上彼此间隔的第一聚焦高度fl1至第四聚焦高度fl4——处扫描具有目标图案的半导体基板10的表面10s，如参考图7至图9所述。

可以操作连接到图像扫描单元110的数据处理单元130从图像扫描单元110获得目标图案的目标图案图像，并且基于目标图案图像测量目标图案的尺寸(s750)。

获得目标图案图像可以包括：从图像扫描单元110获得多个第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t；并且然后，选择多个第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t中的至少一个作为目标图案图像，如参考图5所述。也就是说，数据处理单元130可以存储从第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t选择的第二最佳聚焦图像，即，具有最高分辨率的聚焦图像img3t，或者第二最佳聚焦图像img3t与其他第二聚焦图像img1t、img2t和img4t的合成图像作为目标图案图像。获得目标图案图像还可以包括基于目标图案图像来调节图像的图像属性，例如亮度和对比度。也就是说，控制器120可以控制图像扫描单元110基于从数据处理单元130向控制器120提供的目标图案图像来调节从半导体基板10获得的图像的亮度和对比度，如结合图5所述。

如参考图6所述，测量目标图案的尺寸可以包括：将目标图案图像与第二可比较对象图像进行比较以识别目标图案；对所识别的目标图案执行扫描操作以获得图像数据；以及然后，基于图像数据测量目标图案的尺寸。数据处理单元130可以被配置为从库140提取第二可比较对象图像，以检查目标图案图像与第二可比较对象图像是否一致，并且基于检查的结果识别目标图案。数据处理单元130可以向控制器120提供目标图案的识别信息，并且控制器120可以控制图像扫描单元110对所识别的目标图案执行扫描操作。结果，可以通过图像扫描单元110获得关于目标图案的图像数据。之后，数据处理单元130可以基于从图像扫描单元110获得的图像数据测量目标图案的尺寸。

在测量目标图案的尺寸之后，可以从台架102和腔室100卸载半导体基板10。之后，可以执行用于检查目标图案的尺寸是否在可允许范围内的步骤(s760)。如果目标图案的尺寸在可允许范围内，则可以执行用于在半导体基板10上形成半导体器件的后续制造工艺(s770)。如果目标图案的尺寸不在允许范围内，则可以产生警报(s780)。

根据本发明构思的一些实施例，图像扫描单元110可以被配置为在对形成在样品10上的参考图案的聚焦操作期间，获得多个聚焦图像，例如，第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r，以及选择和使用第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r中的至少一个作为参考图案图像。另外，图像扫描单元110可以被配置为在对形成在样品10上的目标图案的聚焦操作期间，获得多个聚焦图像，例如，第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t，以及选择和使用第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t中的至少一个作为目标图案图像。也就是说，可以分别地从多个聚焦图像——例如，第一聚焦图像img1r、img2r、img3r和img4r以及第二聚焦图像img1t、img2t、img3t和img4t——容易地获得参考图案图像或目标图案图像，而无需对参考图案或目标图案的额外的扫描操作，所述多个聚焦图像在对参考图案或目标图案的聚焦操作期间获得。因此，能够减少检查具有参考图案和/或目标图案的样品10所花费的处理时间。

此外，当根据本发明构思的一些实施例的方法或系统用于检查半导体器件时，可以减少检查半导体器件所花费的处理时间。结果，可以降低半导体器件的制造成本。

根据本发明构思的一些实施例，图像扫描单元可以被配置为在对形成在样品上的图案的聚焦操作期间获得多个聚焦图像，以及选择和使用聚焦图像中的至少一个作为图案图像。结果，可以从在对图案的聚焦操作期间获得的聚焦图像容易地获得图案图像，而无需对图案的额外的扫描操作。因此，可以减少检查具有图案的样品所花费的处理时间。

此外，当根据本发明构思的一些实施例的方法或系统用于检查半导体器件时，可以减少检查半导体器件所花费的处理时间，并且结果，可以降低半导体器件的制造成本。

虽然已经示出和描述了本总体发明构思的一些实施例，但是本领域技术人员将意识到，可以在实施例中进行变化，而不脱离其范围由所附权利要求及其等同物定义的总体发明构思的原理和精神。