(57)【要約】  【課題】  半導体デバイス内部の電気不良となりうる微小結晶欠陥を、試料作成の時間を短縮して、高い空間分解能で評価できる半導体装置の検査技術を提供する。  【解決手段】  電流検出用探針プローブ１１を被検査試料２１表面に接触させて、低加速エネルギーの電子ビーム２２を被検査試料２１に照射・走査し、試料内部で発生するＥＢＩＣ信号を検出する。その結果、従来の電流検出のための試料表面の金属膜作成を不要にし、短時間での評価を可能にする。また、試料内部での電子ビーム広がりを数十ｎｍに抑制できるため、数十ｎｍの空間分解能で結晶欠陥を評価できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置に電子ビームを照射し走査する工程と、前記電子ビームにより前記半導体装置から二次的に発生する信号を検出する工程と、検出された信号を画像化して、第１の画像として表示する工程と、前記半導体装置内部に前記電子ビームを照射することによりキャリアを発生させる工程と、探針プローブを前記半導体装置に接触させ、前記探針プローブにより前記半導体装置内部で発生したキャリア電流を検出する工程と、検出されたキャリア電流を前記電子ビームの走査と同期させて画像化し、第２の画像として表示する工程とを有し、前記第１の画像および前記第２の画像をもとに、前記半導体装置の欠陥部を評価することを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項２】
半導体装置に電子ビームを照射し走査する工程と、前記電子ビームにより前記半導体装置から二次的に発生する信号を検出する工程と、検出された信号を画像化して、第１の画像として表示する工程と、前記半導体装置内部に前記電子ビームを照射することによりキャリアを発生させる工程と、前記半導体装置表面に第一の探針プローブを接触させ、前記半導体装置裏面に第二の探針プローブを接触させる工程と、前記第二の探針プローブを接地して、第一の探針プローブにより前記半導体装置内部で発生した第一のキャリア電流を検出するか、または前記第一の探針プローブを接地して、第二の探針プローブにより前記半導体装置内部で発生した第二のキャリア電流を検出する工程と、検出された前記第一または第二のキャリア電流を前記電子ビームの走査と同期させて画像化し、第２の画像として表示する工程とを有し、前記第１の画像および前記第２の画像をもとに、前記半導体装置の欠陥部を評価することを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置の検査方法において、前記半導体装置を温度可変に制御する工程を含み、前記半導体装置の温度変化に応じて得られる前記第２の画像と前記第１の画像をもとに、前記半導体装置の欠陥部とその欠陥部における欠陥の準位を評価するようにしたことを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の半導体装置の検査方法において、前記半導体装置は、半導体基板にｐｎ接合部またはショットキー接合部が形成され、基板内部に電界が形成された構造を有することを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の半導体装置の検査方法において、前記第１の画像と前記第２の画像をディスプレイ上で同時に表示するか、または、前記第１の画像と前記第２の画像をディスプレイ上で切り替えて表示するようにしたことを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項６】
電子ビームを生成する電子銃と、半導体装置に前記電子ビームを照射し走査する電子光学系と、前記半導体装置を搭載するための試料台と、前記電子ビームの照射により前記半導体装置から二次的に発生する信号を検出するための検出器と、前記半導体装置の表面または裏面に接触させる探針プローブと、前記電子ビームの照射により前記半導体装置内部で励起されて発生するキャリア電流を前記探針プローブで検出し、画像化する手段とを有し、前記二次的に発生する信号による画像および前記キャリア電流量による画像をもとに、前記半導体基板の欠陥部を評価することを特徴とする半導体装置の検査装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置の検査装置において、前記半導体装置を温度可変に制御する手段をさらに設けてなることを特徴とする半導体装置の検査装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の半導体装置の検査装置において、前記半導体装置は、半導体基板にｐｎ接合部またはショットキー接合部が形成され、基板内部に電界が形成された構造を有することを特徴とする半導体装置の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の検査技術に係り、特に、半導体装置における電気的特性不良となる結晶欠陥箇所を検査、解析する検査技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスにおいて、素子の微細化、高集積化に伴い、デバイス内部での応力集中が増大する傾向にある。これに伴い、デバイス内部の異種材質の界面では熱膨張率が異なるために、応力集中により結晶欠陥が入りやすくなっている。また、新材料の導入に伴い、例えば、歪Ｓｉ/ＳｉＧｅ系のデバイスではＳｉＧｅ層の格子間隔の違いを利用しＳｉ層を歪ませることでキャリアの移動度を上げて高性能化を図っているが、歪応力起因で結晶欠陥が発生しやすくなっている。半導体デバイスの面内に広がるミスフィット転位である結晶欠陥がｐｎ接合の近傍にある場合には、ソースとドレイン間でのリーク電流を誘発し、また、半導体Ｓｉ基板から半導体デバイスの表面まで伸びた貫通転位である欠陥は、リーク電流を著しく増大させ、半導体デバイスの特性を劣化させる原因と考えられている。
【０００３】
従来、半導体デバイスの電気特性不良となる結晶欠陥を非破壊で検出する手段として、ＯＢＩＲＣＨ（Optical Beam Induced Resistance Change）法やＥＢＩＣ（Electron Beam Induced Current）法がある。ＯＢＩＲＣＨ法については、「特開平８−２５５８１８号」や「特開平９−１４５７９５号」に記載されており、光を用い、主に配線の抵抗不良を検査・解析する手法である。
【０００４】
ＥＢＩＣ法は、「電子・イオンビームハンドブック（第３版）、第８７〜９４頁（平成１０年）」に記載されているように、電子ビームによって半導体内に誘起された電流を測定し、結晶欠陥を評価する手法である。電子線をｐｎ接合部に照射した場合、空乏層内で生成した電子・正孔対が接合部の内部電界によってそれぞれ反対の導電型領域に別れて電流が発生し、欠陥部では発生したキャリアが欠陥部で吸収するために、電流が減少する。この電流減少分を評価することにより欠陥を評価している。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２５５８１８号公報
【特許文献２】特開平９−１４５７９５号公報
【特許文献３】電子・イオンビームハンドブック（第３版）、第８７〜９４頁（平成１０年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のＯＢＩＣ法も、ＥＢＩＣと同様に、電流変化量を評価することにより結晶欠陥を評価することが出来る。しかしながら、光の光源を用いているために分解能が１００ｎｍ程度となり、微細な結晶欠陥を評価するには不十分であった。
【０００７】
従来のＥＢＩＣ法では、試料内部で発生する電流を計測するために、被検査物の表面に金属膜を蒸着させる必要があった。そのため、評価までにおよそ１時間程度を要していた。また、金属膜を透過して半導体デバイスの内部に電子線を到達させる必要があるため、加速電圧を高くしなければならなかった。加速電圧を高く設定した場合、例えば加速電圧５ｋＶの電子ビームを用いた場合には、電子ビームが試料内部で広がるために、分解能は数μｍとなる。このように、従来のＥＢＩＣ法では、微小結晶欠陥を十分に評価することが出来なかった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、半導体デバイス内部の電気不良となりうる微小結晶欠陥を、試料作成の時間を短縮して、高い空間分解能で評価できる半導体装置の検査技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、下記に示すような特徴を有する。
【００１０】
本発明は、電子ビームを試料に照射及び走査し、１本以上の電流検出プローブを用いて、検出用プローブを試料表面に接触することで、従来電流検出のための試料表面の金属膜作成を不要にし、該試料内部で発生する電流を検出する。
【００１１】
このために、数分から数十分での評価が可能となる。さらに、試料表面の金属膜がないために低加速の電子ビームによる評価を可能にし、試料内部の電子ビーム広がりを数十ｎｍに抑制でき、高い空間分解能で微小欠陥を評価できる。
【００１２】
以下、本発明の代表的な構成例を列挙する。
【００１３】
（１）本発明の半導体装置の検査方法は、半導体装置に電子ビームを照射し走査する工程と、前記電子ビームにより前記半導体装置から二次的に発生する信号を検出する工程と、検出された信号を画像化して、第１の画像として表示する工程と、前記半導体装置内部に前記電子ビームを照射することによりキャリアを発生させる工程と、探針プローブを前記半導体装置に接触させ、前記探針プローブにより前記半導体装置内部で発生したキャリア電流を検出する工程と、検出されたキャリア電流を前記電子ビームの走査と同期させて画像化し、第２の画像として表示する工程とを有し、前記第１の画像および前記第２の画像をもとに、前記半導体装置の欠陥部を評価することを特徴とする。
【００１４】
（２）本発明の半導体装置の検査方法は、半導体装置に電子ビームを照射し走査する工程と、前記電子ビームにより前記半導体装置から二次的に発生する信号を検出する工程と、検出された信号を画像化して、第１の画像として表示する工程と、前記半導体装置内部に前記電子ビームを照射することによりキャリアを発生させる工程と、前記半導体装置表面に第一の探針プローブを接触させ、前記半導体装置裏面に第二の探針プローブを接触させる工程と、前記第二の探針プローブを接地して、第一の探針プローブにより前記半導体装置内部で発生した第一のキャリア電流を検出するか、または前記第一の探針プローブを接地して、第二の探針プローブにより前記半導体装置内部で発生した第二のキャリア電流を検出する工程と、検出された前記第一または第二のキャリア電流を前記電子ビームの走査と同期させて画像化し、第２の画像として表示する工程とを有し、前記第１の画像および前記第２の画像をもとに、前記半導体装置の欠陥部を評価することを特徴とする。
【００１５】
（３）前記構成の検査方法において、前記半導体装置を温度可変に制御する工程を含み、前記半導体装置の温度変化に応じて得られる前記第２の画像と前記第１の画像をもとに、前記半導体装置の欠陥部とその欠陥部における欠陥の準位を評価するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
（４）前記構成の検査方法において、前記半導体装置は、半導体基板にｐｎ接合部またはショットキー接合部が形成され、基板内部に電界が形成された構造を有することを特徴とする。
【００１７】
（５）前記構成の検査方法において、前記第１の画像と前記第２の画像をディスプレイ上で同時に表示するか、または、前記第１の画像と前記第２の画像をディスプレイ上で切り替えて表示するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
（６）本発明の半導体装置の検査装置は、電子ビームを生成する電子銃と、半導体装置に前記電子ビームを照射し走査する電子光学系と、前記半導体装置を搭載するための試料台と、前記電子ビームの照射により前記半導体装置から二次的に発生する信号を検出するための検出器と、前記半導体装置の表面または裏面に接触させる探針プローブと、前記電子ビームの照射により前記半導体装置内部で励起されて発生するキャリア電流を前記探針プローブで検出し、画像化する手段とを有し、前記二次的に発生する信号による画像および前記キャリア電流量による画像をもとに、前記半導体基板の欠陥部を評価することを特徴とする。
【００１９】
（７）前記構成の検査装置において、前記半導体装置を温度可変に制御する手段をさらに設けてなることを特徴とする。
【００２０】
（８）前記構成の検査装置において、前記半導体装置は、半導体基板にｐｎ接合部またはショットキー接合部が形成され、基板内部に電界が形成された構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、半導体デバイス内部の電気不良となりうる微小結晶欠陥を、試料作成の時間を短縮して、高い空間分解能で評価できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例について、図面に参照して詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２３】
（実施例１）
本実施例では、半導体基板にｐｎ接合トランジスタが形成された半導体装置において、電気特性不良箇所を特定および不良箇所の汚染準位を評価するための検査方法および検査装置について説明する。
【００２４】
図２は、本実施例における半導体装置の検査装置の主要部の構成を示す。半導体検査装置は、電子銃１、コンデンサレンズ２ブランキング制御電極３、可動絞り４、偏向器５、対物レンズ６、二次電子検出器７、試料台８、温度制御試料ホルダー９、Ｘ−Ｙステージ１０、電流測定探針プローブ１１、探針プローブ保持ユニット１２、プリアンプ１３、アンプ１４、信号入力切替スイッチ１５、ＡＤ変換器１６、ＳＥＭディスプレイ１７、パソコン１８、試料交換室（図示していない）、真空排気系２０より構成されている。
【００２５】
図２における被検査試料２１、探針プローブ１１、および探針プローブ電流検出系の拡大図を、図１に示す。
【００２６】
電子ビーム２２は、ブランキング制御電極３によって、被検査試料２１（ここでは、半導体装置）に照射するタイミングを制御しており、検査を実施する以外の時間には、電子ビームは被検査試料２１に照射されないようになっている。被検査試料２１に電子ビーム２２が照射する際には、偏向器５によって走査スピードや走査領域を制御している。電子ビームの照射エネルギーは１.５ｋＶとした。これにより、電子ビーム２２は被検査試料２１内部の空乏層までに達し、同時に、被検査試料２１内部の電子ビーム飛程は数十ｎｍ程度に抑えることが出来る。また、照射する電子ビーム２２の電流は、ｐＡオーダーからｎＡオーダーであり、ここではおよそ３００ｐＡの電流に設定した。
【００２７】
探針プローブ１１（例えば、同軸シールドプローブ）を被検査試料２１の表面に接触させ、電子ビーム２２を被検査試料２１に照射する。電子線照射により被検査試料２１の内部では電子２３とホール２４とのペアが形成され、空乏層２５の電界により電子２３はｎ領域２６へ流れ、ホール２４はｐ層２７をとおり被検査試料２１の基板裏面側へと流れる。被検査試料２１の裏面をアースに接地した場合には、閉ループが形成されるために、発生した電子２３とホール２４のペアのドリフトを電流として検出できる。ｎ層２６へドリフトしてきた電子２３を探針プローブ１１で検出し、探針プローブ１１とプリアンプ１３を接続するシールドプローブ３９を通過して、探針プローブ１１直後のプリアンプ１３で電圧に変換すると同時に増幅し、フィードスルー２８を介して真空チャンバの外へ取り出し、さらに、アンプ１４により増幅した後にＡＤ変換器１６に入力される。そして、ディスプレイ１７またはパソコンモニタ１８に表示される。
【００２８】
ここでは、被検査試料２１をｎ型の半導体試料として説明しているが、ｐ型の半導体試料であっても検査の対象となる。
【００２９】
電子線画像を表示する場合、電子線ビーム２２を被検査試料２１に照射して発生する二次電子２９を二次電子検出器７で検出し、検出された信号を増幅して、ＡＤ変換器１６によりデジタル信号に変換し、ディスプレイ１７またはパソコンモニタ１８に表示する。本装置では、二次電子信号と電気測定探針プローブ１１に流れる信号を切り替えるためのスイッチ１５をＡＤ変換器１６の前に設置し、二次電子信号と探針プローブ１１に流れる信号のどちらかを表示するかを、スイッチの切り替えにより、任意に選択できるようにしている。そのため、同一箇所に対して、電子ビーム２２を走査しながら二次電子２９の信号であるＳＥＭ像３５と探針プローブ１１に流れる信号、すなわち探針電流像３６を交互に観察することが可能である。ここでは、探針プローブ１１に流れる信号を増幅するプリアンプ１３、アンプ１４は、応答速度４００ｋＨｚ以上の高速なアンプを用いることで、通常のＳＥＭの走査速度と同等の速度で信号を増幅させることが出来るため、探針電流画像３６を表示できる。
【００３０】
図１に示すように、非検査試料２１に電子ビーム２２照射すると、非検査試料２１内部でキャリア（電子２３・ホール２４）が発生し電流が流れる。欠陥がある場合には、発生したキャリア（電子２３・ホール２４）は欠陥部３０で再結合する。そのため、探針プローブ１１で検出する電流は減少する。この電流信号量の違いにより、正常部３１では明るく欠陥部３０では暗い画像となる。入力信号のスイッチ１５の切り替えをすることにより、ＳＥＭ画像３５と探針電流画像３６を表示させ、探針電流像３６の暗い箇所をＳＥＭ画像３５の場所と比較することで、欠陥部３０の箇所を特定することが可能となる。
【００３１】
本手法では、電子ビーム２２の加速電圧を１.５ｋＶの条件に設定し、被検査試料２１の内部での電子線の広がりを数十ｎｍ程度に制御している。そのため、探針電流像３６において欠陥箇所を数十ｎｍオーダーで評価できるようになった。また、従来必要であった被検査試料２１表面の金属蒸着をする工程を省き、探針プローブ１１の接触で電流信号を計測できるために、数分オーダーでの評価が可能になった。
【００３２】
（実施例２）
本発明の第２の実施例は、上述した実施例１において、電流計測用の探針プローブを２本設けたものである。図３に、電流計測用の探針プローブが２本の場合の概略図を示す。
【００３３】
これは、被検査試料２１表面に第一の探針プローブ１１を接触させ、第二の探針プローブ３２を被検査試料２１の裏面に接触させる。第一の探針プローブ電流を計測する際には第二の探針プローブ３２を接地し、第二の探針プローブ３２で電流を計測する場合には第一の探針プローブ１１を接地する。また、探針プローブ１１とその他の構成については、第１の実施例と同様である。
【００３４】
この状態で、第二の探針プローブ３２で電流を計測する場合、被検査試料２１の裏面から第二の探針プローブ３２で検出し、プローブ直後のプリアンプ１３で増幅するためにノイズの低い電流を得ることができる。これによって、ＳＮの高い探針電流画像３６を得ることが可能となる。従来、被検査試料２１の裏面にある試料台８を通して計測した場合には、アンプで増幅されるまでの経路が長いためにノイズがのりやすく、探針電流像３６のＳＮは低いものであった。また、試料台８にノイズがのっている場合にもそのノイズのために、ＳＮ比の低い探針電流像３６となった。しかし、本実施例によりノイズを減少させることでＳＮの高い探針電流像３６を得ることができ、欠陥検出の感度向上において非常に有効となった。
【００３５】
なお、本実施例では、被検査試料である半導体基板を搭載するための試料台において、半導体基板の裏面にプローブを接触させるよう、試料台は凹状の形状、または試料台と半導体基板裏面に非接触領域を有する。また、複数のプローブは、各々独立に駆動可能な保持駆動制御ユニットを有する。
【００３６】
（実施例３）
本発明の第３の実施例は、上述した実施例１、２において、温度制御試料ホルダ９で被検査試料２１の温度を可変制御（加熱または冷却）するようにしたものである。その概略図を、図４に示す。
【００３７】
実施例１で説明したように、探針電流像３６において正常部では３１では明るく欠陥部３０では暗い画像になる。低温に冷却した条件下では発生したキャリアの電子２３またはホール２４は、熱による励起エネルギーが小さいために、深い準位の欠陥３４にトラップされる確立は低く、浅い準位の欠陥３３にトラップされる確立は高くなる。このため、低温時では、準位の浅い欠陥部３３によるキャリアの吸収が大きくなり、低温時の探針電流像３７において浅い準位の欠陥部３３のコントラストは高く、一方で準位の深い欠陥部３４のコントラストは低くなる。高温時では、キャリアの電子２３・ホール２４の熱エネルギーは高いために、深い準位の欠陥３４に吸収される確立が高く、浅い準位の欠陥３３に吸収される確立は低くなる。この結果、高温時の探針電流像３８において浅い準位の欠陥３３のコントラストは小さく、深い準位の欠陥３４のコントラストは大きくなる。
【００３８】
この温度特性による探針電流像３７、３８の評価と二次電子画像３５を用いることにより、欠陥箇所とその欠陥箇所における欠陥の準位を把握することが可能となる
なお、上述した実施例１乃至３では、ｐｎ接合トランジスタが形成された半導体装置を被検査試料の一例として説明したが、本発明は、これに限らず、ショットキー接合が形成された半導体装置に対しても適用可能である。
【００３９】
以上詳述したように、本発明によれば、半導体デバイス内部の電気不良となりうる微小結晶欠陥を、試料作成の時間を短縮して、高い空間分解能で評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施例による検査方法を説明する概略図。
【図２】本発明の半導体検査装置の主要部の構成を説明する図。
【図３】本発明の第２の実施例による検査方法を説明する概略図。
【図４】本発明の第３の実施例による検査方法を説明する概略図。
【符号の説明】
【００４１】
１…電子銃、２…コンデンサレンズ、３…ブランキング制御電極、４…可動絞り、５…偏向器、６…対物レンズ、７…二次電子検出器、８…試料台、９…温度制御試料ホルダ、１０…Ｘ−Ｙステージ、１１…電流測定探針プローブ、１２…探針プローブ保持ユニット、１３…プリアンプ、１４…アンプ、１５…信号切替スイッチ、１６…ＡＤ変換器、１７…ＳＥＭディスプレイ、１８…パソコン、２０…真空排気系、２１…被検査試料、２２…電子ビーム、２３…電子、２４…ホール、２５…空乏層、２６…ｎ層、２７…ｐ層、２８…フィードスルー、２９…二次電子、３０…欠陥部、３１…正常部、３２…第二電流測定探針プローブ、３３…準位の浅い欠陥、３４…準位の深い欠陥、３５…二次電子画像、３６…二次電子画像、３７…低温時の探針電流像、３８…高温時の探針電流像。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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