(57)【要約】      （修正有）【課題】放電防止の機能を有し、吸収電流の検出をより効率よく行う検査装置を提供する。【解決手段】吸収電流検出器２３を真空試料室２６の内部に搭載し、探針１９から吸収電流検出器２３までの信号配線のもつ静電容量を数ｐＦ程度まで低減することにより、数十ｋＨｚ以上の高周波数吸収電流信号であっても検出が可能となる。また、信号切換制御部１５により信号切換部２２を動作させ、試料９に接触した探針１９と半導体特性解析装置２５の信号線を導通させることにより、探針１９に繋がる信号経路を吸収電流の伝送に限定することなく、試料９の電気的特性の測定が可能となる。また、探針１９や試料ステージ１８に帯電のスローリークのための抵抗を設ける。【選択図】図２
2010040953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線源と、
前記電子線源から発生された電子線を試料上に集束させる対物レンズと、
前記試料を載置する試料台と、
前記試料に接触する探針と、
を備えた検査装置において、
前記試料台は、試料を載置する導電製の板と、絶縁材製の板から構成され、
前記導電製の板を、抵抗を介して接地することを特徴とする検査装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記抵抗は、前記試料の有する配線の抵抗値より高いことを特徴とする検査装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記抵抗は、可変抵抗であることを特徴とする検査装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つの検査装置において、
前記導電性の板を接地する側と、抵抗を介して接地する側とを切換えるスイッチを有し、
前記試料台の配線が前記導電性の板に接触するときに、前記スイッチを前記抵抗を介して接地する側に切換えることを特徴とする検査装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記探針を試料に接触させるときに、前記スイッチを接地する側に切換えること
を特徴とする検査装置。
【請求項６】
電子線源と、
前記電子線源から発生された電子線を試料上に集束させる対物レンズと、
前記試料を載置する試料台と、
前記試料に接触する探針と、
を備えた検査装置において、
前記検査装置は、信号処理装置とスイッチを有し、
前記探針は、スイッチを介して接地側或いは信号処理装置と接続し、
前記探針を試料に接触させる前に、前記スイッチを接地側に切換え、前記探針を試料に接触させた後に、前記スイッチを信号処理装置側に切換えること
を特徴とする検査装置。
【請求項７】
電子線源と、
前記電子線源から発生された電子線を試料上に集束させる対物レンズと、
前記試料を載置する試料台と、
前記試料台が内部に配置される試料室と、
前記電子線を試料上で走査する電子線偏向手段と、
前記試料に接触する探針と、
前記探針に流れる電流を検出できる吸収電流検出器と、
を備えた検査装置において、
前記吸収電流像の観察や試料の電気的特性を測定する信号処理装置を有し、
前記吸収電流器を通して前記探針と前記信号処理装置とを繋ぐ信号経路と、前記探針と前記信号処理装置とを繋ぐ信号経路とを切換えるスイッチを有すること
を特徴とする試料検査装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記吸収電流検出器が、試料室内の金属ケース内に配置され、当該金属ケースは試料室の内壁に接触しており、内部に気体が充填されていることを特徴とする検査装置。
【請求項９】
電子線源と、
前記電子線源から発生された電子線を試料上に集束させる対物レンズと、
前記試料を載置する試料台と、
前記試料台が内部に配置される試料室と、
前記電子線を試料上で走査する電子線偏向手段と、
前記試料に接触する探針と、
前記探針に流れる電流を検出できる吸収電流検出器と、
前記吸収電流検出器の出力を前記試料の吸収電流像として表示するモニタと、
を備えた検査装置において、
前記吸収電流検出器の出力を前記電子線の走査と同期させてモニタに表示する制御回路を備え、
前記制御回路は、前記電子線の現在走査位置を示す情報を有し、その情報に従い現在走査位置を示す目印を、前記吸収電流像と併せてモニタに表示することを有すること
を特徴とする試料検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体試料等の検査装置に関し、特に、半導体試料等の吸収電流の検出及び二次電子観察を行い、半導体試料等の配線における電気不良箇所を特定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の検査装置として、従来、特許文献１のように、走査型電子顕微鏡で観察しながら、鋭利な先端を有する複数の探針を試料に接触させ、電気特性測定回路により探針間の電流電圧特性を測定し、素子の局所的電気特性を得る方法が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２のように、欠陥箇所を有する配線系の両側にある配線またはパッドに２本の探針（プローブともいう）を接触させ、半導体装置の表面に荷電ビームを照射および走査することで、配線に荷電ビームを吸収させ、配線が吸収した荷電ビーム（電流）を検出し、その検出した電流を増幅器にて増幅し、増幅された電流を画像信号に変換した後、コンピュータの画面上で吸収画像として表示する方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３２６４２５号公報
【特許文献２】特開２００２−３４３８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
引用文献２のような従来の吸収電流を検出する検査装置においては、吸収電流像によって試料の電気不良箇所を特定する前段階あるいは後段階において、引用文献１のような半導体特性解析装置等を用いて、抵抗値をはじめとする電気的諸特性の測定を実施する点について配慮がされておらず、吸収電流検出器を介さずに探針と装置外部とを繋ぐ経路が設けられていないという問題があった。
【０００６】
また、従来の装置では、前記吸収電流検出器が真空試料室外部に設置されていた。しかし、探針から前記吸収電流検出器までの配線長が長くなってしまい、配線のもつ浮遊静電容量によって例えば数十ｋＨｚ以上の高周波数吸収電流信号の検出が困難であるという問題があった。引用文献２のように、プロセスチャンバ内にアンプを設けることも考えられるが、アンプに蓄熱し正確な測定が行えないという問題がある。
【０００７】
また、従来の検査装置の探針については、電子線の照射により帯電することがあり、探針が吸収電流検出器に接続された状態で試料に接触させることにより、試料及び探針の帯電に起因して試料近傍で放電が生じ、試料や探針を損傷するおそれがあった。
【０００８】
一方、従来の検査装置の試料台は、電子線照射による試料の帯電を低減するために、電気的接地部との導電性を有する金属製であった。このような金属製の試料台が装置の電気的接地部との導電性を有すると、試料内の配線が前記試料台に接触した場合に、前記配線上の吸収電流が電気的接地部に向かって流れ、吸収電流検出ができなくなるという問題があった。
【０００９】
また、従来の試料検査装置の画像表示機能は、電子線の走査と同期させて吸収電流像をモニタに表示するにあたり、現在走査箇所の目印表示機能を有していなかった。そのため、走査領域の一様なバックグラウンドの中に、低速度走査で観察したい対象部分が存在する場合、バックグラウンド中の何処を走査しているかの判別が困難となり、現在の走査箇所を見失うおそれがあった。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、放電防止の機能を有し、吸収電流の検出をより効率よく行う検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、電子線源と、前記電子線源から発生された電子線を試料上に集束させる対物レンズと、前記試料を載置する試料台と、前記試料に接触する探針と、を備えた検査装置において、前記試料台は、試料を載置する導電製の板と、絶縁材製の板から構成され、前記導電製の板を、抵抗を介して接地する構成とした。
【００１２】
また、電子線源と、前記電子線源から発生された電子線を試料上に集束させる対物レンズと、前記試料を載置する試料台と、前記試料に接触する探針と、を備えた検査装置において、前記検査装置は、信号処理装置とスイッチを有し、前記探針は、スイッチを介して接地側或いは信号処理装置と接続し、前記探針を試料に接触させる前に、前記スイッチを接地側に切換え、前記探針を試料に接触させた後に、前記スイッチを信号処理装置側に切換える構成とした。
【００１３】
さらに、電子線源と、前記電子線源から発生された電子線を試料上に集束させる対物レンズと、前記試料を載置する試料台と、前記試料台が内部に配置される試料室と、前記電子線を試料上で走査する電子線偏向手段と、前記試料に接触する探針と、前記探針に流れる電流を検出できる吸収電流検出器と、を備えた検査装置において、前記吸収電流像の観察や試料の電気的特性を測定する信号処理装置を有し、前記吸収電流器を通して前記探針と前記信号処理装置とを繋ぐ信号経路と、前記探針と前記信号処理装置とを繋ぐ信号経路とを切換えるスイッチを有する構成とした。そして、前記吸収電流検出器は、試料室内の金属ケース内に配置され、当該金属ケースは試料室の内壁に接触しており、内部に気体が充填されている構成とした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下のような効果がある。
【００１５】
吸収電流像の観察により半導体試料等の配線における電気不良箇所を特定するとともに、前記電気不良箇所の抵抗値をはじめする電気的諸特性の測定を可能とする。
【００１６】
吸収電流検出器を試料室内に配置することで、より高周波数の吸収電流信号の検出が可能となり、試料中の微細パターンに対しての吸収電流検出を可能とするとともに、電子線の高速走査への対応が可能となる。また、吸収電流検出器の蓄熱を防止する機構により、吸収電流像の観察効率を高める効果がある。
【００１７】
試料に探針を接触させる際に、試料及び探針の帯電に起因する試料及び探針の損傷を防止する効果がある。
【００１８】
配線が表面あるいは裏面に表れた構造を有する試料に対しても、吸収電流をリークさせることなく、且つ試料の帯電を低減しながらの吸収電流像観察を可能とする。
【００１９】
吸収電流像観察による試料内の不良箇所探索において、一次電子線の現在走査位置を見失うことなく、操作者の作業効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態が適用される試料検査装置の構成図である。電子線源１より照射された一次電子線２が、コンデンサレンズ３，４，絞り５，走査偏向器６，イメージシフト偏向器７，対物レンズ８を経由して試料９に照射される。この際、一次電子線２は、走査偏向器６等により、試料９の表面上を走査する。
【００２２】
一次電子線２を照射された試料９より、二次電子１０が放出され、二次電子検出器１１により検出される。
【００２３】
試料から発生する二次電子を検出できる検出器である二次電子検出器１１は、ＳＥＭ制御部１２により制御されている。また、ＳＥＭ制御部１２はビデオボード１３，記録部１４及び信号切換制御部１５を有している。二次電子線検出器１１より入力された信号は、ビデオボード１３にてデジタル信号に変換され、一次電子線２の走査に同期させてモニタ１６により画像を表示する。走査された一次電子線２に同期してモニタ１６に表示される為、二次電子１０がＳＥＭ像として表示される。また、この信号及びＳＥＭ像は記録部１４に記録される。なお、試料検査装置全体も、ＳＥＭ制御部１２によって制御されている。
【００２４】
試料９は試料ホルダ１７に固定され、試料を載置できる試料台である試料ステージ１８によってＸ，Ｙ，Ｚの３軸方法に移動可能な手段を持つ構造となっている。試料に接触できる探針１９は探針ステージ２０によって、試料ステージ１８と同様Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に移動可能な構造を備えている。
【００２５】
試料ステージ１８と探針ステージ２０をそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に移動／制御し、試料９の表面に探針１９を接触させる。
【００２６】
試料９の表面には配線パターン２１が有り、探針１９をこの配線パターン２１の両端あるいはパッドに接触させる。吸収電流像を観察する際は、この状態で上記配線パターン２１を含めた試料９の表面に、電子線源１より一次電子線２を走査させる。照射された一次電子線２のうち、配線パターン２１に入り込んだ電子が吸収電流として探針１９から検出され、信号切換部２２を介して吸収電流検出器２３に入力し、電流−電圧変換とともに増幅される。この信号を前記ＳＥＭ像と同様に一次電子線２の走査に同期させ、吸収電流像２４としてモニタ１６に表示させる。また、この信号及び吸収電流像２４は記録部１４に記録される。
【００２７】
試料９の電気的特性の測定を実施する際には、信号切換制御部１５により信号切換部２２を動作させ、試料９に接触した探針１９と半導体特性解析装置２５の信号線を導通させる。信号切換部２２には、例えばラッチングリレーを用いることができる。この機能により、探針１９に繋がる信号経路を吸収電流の伝送に限定することなく、試料９に対する半導体特性解析装置２５からの電圧または電流印加が可能となり、所望の電気的特性を測定することができる。
【００２８】
図２は、本発明の第２の実施形態が適用される試料検査装置の構成図である。
【００２９】
第２の実施形態の基本的な構成は、第１の実施形態と同様であり、探針１９に繋がる信号経路を信号切換部２２及び信号切換制御部１５を用いて切換え、吸収電流検出器２３を通さずに探針１９と半導体特性解析装置２５とを繋ぐ機能を有する。
【００３０】
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、金属ケース２７に囲われた吸収電流検出器２３を真空試料室２６内に搭載していることである。第一の実施形態が有する信号切換部２２も金属ケース２７内に配置することも可能である。
【００３１】
金属ケース２７の内部が真空であった場合は、金属ケース２７の内部に実装されている吸収電流検出器２３及び信号切換部２２で発生する熱が、大気中と比較して金属ケース２７の外部に伝播され難く、吸収電流検出器２３及び信号切換部２２の動作中の温度は７０℃〜９０℃近くまで上昇する。吸収電流検出器２３の温度が例えば１０℃上昇する毎に、検出器の入力バイアス電流が約２倍ずつ増大し、それに伴って検出器の出力電圧にオフセットが生じるため、吸収電流像の階調が白側または黒側に徐々にシフトし、観察中に像の階調の調整が必要となる。
【００３２】
従って、金属ケース２７を構成する板金接合部にはＯリングまたはメタルパッキン等を用いて密封性を持たせ、内部に大気同等の圧力を持たせる方が好ましい。これによって吸収電流検出器２３及び信号切換部２２で発生する熱が金属ケース２７内部の気体を介して外部に伝播しやすくなり、吸収電流検出器２３の温度上昇及び検出器出力電圧のオフセット変化を低減することができる。また、金属ケース２７は吸収電流検出器２３に入射する電磁ノイズを遮蔽する効果をもつ。
【００３３】
探針１９に接続された信号線に同軸ケーブルを用いた場合、前記同軸ケーブルは約６７ｐＦ／ｍ〜１００ｐＦ／ｍの静電容量をもつため、探針１９から吸収電流検出器２３までの信号配線長が長いほど配線がもつ静電容量が増加する。配線の静電容量が増加すると、高周波数信号に対するインピーダンスが低下することにより、探針１９が検出した吸収電流の高周波数成分が同軸ケーブルの接地電位側へとリークしやすくなり、吸収電流検出器２３への入力が減少する。よって、微細パターンが含まれる試料に対し吸収電流像の観察を行う場合、微細パターン上への一次電子線２の走査時間が短いため、その部分で探針が検出する吸収電流は高周波数信号となるが、探針１９から吸収電流検出器２３までの配線長が長いと、上記理由により吸収電流検出器２３への入力が減少し、前記微細パターンに対する所望の吸収電流像が得られなくなる。また、一次電子線２を例えば１秒／フレーム（１フレーム＝６４０×４８０画素）程度に高速走査した場合においても、吸収電流は高周波数信号となり、上記理由により信号／ノイズ比が著しく低下し、観察が困難となる。
【００３４】
第２の実施形態は、吸収電流検出器２３を真空試料室２６内に搭載し、探針１９から吸収電流検出器２３までの信号配線長を例えば数cmまで短縮することにより、配線のもつ静電容量を数ｐＦ程度まで低減するものである。これにより数十ｋＨｚ以上の高周波数吸収電流信号が信号／ノイズ比を維持したまま検出され、微細パターンに対する吸収電流像の観察が可能になるとともに、一次電子線２を上記１秒／フレーム程度で高速走査した場合にも吸収電流像が得られるため、観察効率を高めることができる。
【００３５】
図３は、本発明の第３の実施形態が適用される試料検査装置の、探針部の構成図である。
【００３６】
第３の実施形態における図３以外の部分は、第１または第２の実施形態と同様である。第３の実施形態における探針ユニットは、探針１９を試料９に接触させる際に、切換制御部２８により切換部２９を動作させ、探針１９に接続される信号経路を測定時信号経路３０からスローリーク回路３１に切換える機能を有することを特徴とする。スローリーク回路３１は、例えば数ｋΩ〜数百ｋΩの抵抗と装置の電気的接地部が接続された構成となっている。
【００３７】
一次電子線２が試料９に照射されている間、探針１９に対しても一次電子線２は照射されるため、探針１９が帯電する可能性がある。帯電した場合、探針１９を試料９に近付けると放電する。探針１９は直径が数１００ｎｍ程度と非常に細く、放電によるダメージで破損する可能性がある。また、試料９には静電気に弱いものが多く、放電による破損の可能性がある。
【００３８】
つまり、帯電した探針１９を試料９に近付けることにより、探針１９および試料９が破損する可能性がある。切換部２９は、探針１９を試料９に接触させるまでスローリーク回路３１に接続するようになっている。そして、探針１９が試料９に接触した後に測定時信号経路３０側に切換わるようになっている。これにより、探針１９は帯電することなく試料９に接触することができる。
【００３９】
また、探針１９が試料９内の配線パターンに接触する瞬間においては、試料９に蓄積していた電荷が導電性を有する前記配線パターンを集中的に通って探針１９側へと移動する。前記配線パターンが、解析目的とする半断線不良部を含む場合、前記の原理で配線パターンに大電流が流れると、半断線不良部に溶断または溶接が生じ、元来の不良状態が解析出来なくなる可能性がある。探針１９を試料９に接触させるまでスローリーク回路３１に接続することにより、探針１９が試料９内の配線パターンに接触する瞬間に前記配線パターンに流れる電流量を、スローリーク回路３１内の抵抗によって制限できるため、半断線不良部の溶断または溶接を防止することができる。
【００４０】
このような方法により、一次電子線の電流量が大きくても、針や試料を損傷するリスクを減らすことができる。
【００４１】
図４は、本発明の第４の実施形態が適用される試料検査装置の、試料ホルダの構成図である。
【００４２】
第４の実施形態における図４以外の部分は、第１から第３の実施形態と同様である。
【００４３】
第４の実施形態における試料ホルダは、試料３２を載置する金属薄板３３と、絶縁材製の絶縁層３４，金属製の土台３５，抵抗値切換部３６及び抵抗値切換制御部３７から構成される。
【００４４】
抵抗値切換部３６は金属薄板３３と土台３５に接続され、抵抗値切換制御部３７からの制御信号に従い、金属薄板３３と土台３５との間の抵抗値を、短絡，数ＭΩ〜数ＧΩ，開放の間で切換える機能を有する。土台３５は、図１，図２及び図３における試料ステージ１８を介して装置の接地電位に繋がる。
【００４５】
絶縁層３４を構成する材料としては、例えばＰＥＥＫ材が挙げられる。
【００４６】
電子線を用いる試料検査装置においては、試料及び試料台の帯電を避けるために、金属製の試料台が多く適用される。しかしながら、試料台が装置の電気的接地部との導電性を有すると、試料内の配線が前記試料台に接触した場合に、前記配線上の吸収電流が電気的接地部に向かって流れ、吸収電流検出ができなくなる。
【００４７】
第４の実施形態における試料ホルダにおいては、試料３２内の配線が金属薄板３３に接触した場合にも、抵抗値切換部３６を動作させ、配線の持つ抵抗値以上の高抵抗を電気的接地部との間に挿入することにより、試料３２の帯電を制限しつつ、配線を流れる吸収電流の接地電位へのリーク量を低減することが可能である。配線の抵抗値に対応するため、抵抗は可変抵抗にすることができる。
【００４８】
また、探針を試料３２に接触させる際には、抵抗値切換部３６により金属薄板３３と土台３５を短絡し、試料３２の帯電を防止することが可能である。
【００４９】
この方式だと、測定時に試料から電流が流れていくことになるが、抵抗により試料から流れていく電流がある程度定常的になっていれば、当該電流値は信号のバックグラウンドとして処理することが可能である。
【００５０】
なお、金属製の土台３５に抵抗値切換部３６を直接接触させた実施例について説明したが、これに限られず、金属薄膜３３の下に絶縁体のみが配置され、抵抗値切換部３６の一端を抵抗値を介して接地しても良い。
【００５１】
図５は、本発明の第５の実施形態が適用される試料検査装置の、モニタ表示画面を示している。
【００５２】
第５の実施形態における図５以外の部分は、第１から第４の実施形態と同様である。第５の実施形態におけるモニタ表示画面には、吸収電流像４１とともに走査位置表示マーク４２が表示される。走査位置表示マーク４２は、吸収電流像４１において一次電子線が現在走査されている位置を示すものであり、走査が進むにつれて吸収電流像４１中あるいは両端を上から下に移動する。この機能は、例えば図１及び図２で示したビデオボード１３において、吸収電流像の１フレームのうち、現在データを更新している行番号を出力させ、それに従い走査位置表示マーク４２の表示位置を更新するソフトにより実現できる。
【００５３】
探針が接触する配線以外の試料上領域を一次電子線が走査しているとき、モニタに表示される吸収電流像はバックグラウンドノイズに起因する一様な背景色を示す。このため、例えば４０秒／フレーム程度の低速度走査を行う際に、背景中の何処を走査しているかの判別が困難となり、操作者が走査位置を見失うおそれがある。
【００５４】
試料内の不良箇所を探索するにあたり観察視野を次々と移すことになるが、試料が一次電子線照射により受けるダメージの低減、及び探索時間短縮のためモニタに表示する観察画面を吸収電流像としたまま観察視野を移動したとき、前記理由で操作者が走査位置を見失うと、その視野における一次電子線の走査が終了したかどうかの判断がつかず、再走査の後戻り作業が生じる。
【００５５】
第５の実施形態における走査位置表示機能により、吸収電流像観察による試料内の不良箇所探索において一次電子線の現在走査位置を見失うことなく、操作者の作業効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態が適用される試料検査装置の構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態が適用される試料検査装置の構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態が適用される試料検査装置の探針ユニットの構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態が適用される試料検査装置の試料ホルダの構成図。
【図５】本発明の第５の実施形態が適用される試料検査装置のモニタ表示画面。
【符号の説明】
【００５７】
１  電子線源
２  一次電子線
３，４  コンデンサレンズ
５  絞り
６  走査偏向器
７  イメージシフト偏向器
８  対物レンズ
９，３２  試料
１０  二次電子
１１  二次電子検出器
１２  ＳＥＭ制御部
１３  ビデオボード
１４  記録部
１５  信号切換制御部
１６  モニタ
１７  試料ホルダ
１８  試料ステージ
１９  探針
２０  探針ステージ
２１  配線パターン
２２  信号切換部
２３  吸収電流検出器
２４，４１  吸収電流像
２５  半導体特性解析装置
２６  真空試料室
２７  金属ケース
２８  切換制御部
２９  切換部
３０  測定時信号経路
３１  スローリーク回路
３３  金属薄板
３４  絶縁層
３５  土台
３６  抵抗値切換部
３７  抵抗値切換制御部
４２  走査位置表示マーク
【図１】
2010040953.tif 000003
【図２】
2010040953.tif 000004
【図３】
2010040953.tif 000005
【図４】
2010040953.tif 000006
【図５】
2010040953.tif 000007