(57)【要約】【課題】プローブの電極への接触作業を容易且つ確実に行うことができ、接触作業に起因して試料の電極及びプローブに発生するダメージ及び電子線照射に起因して試料の電極に発生するダメージの双方を大幅に低減することを可能とする。【解決手段】電子線照射部１１と、試料１０に設けられた複数の電極２０ａ〜２０ｃに対応するように表面に設けられた複数のプローブ３２と、複数のプローブ３２と電気的に導通する複数のプローブ位置確認部３３とを有するプローブチップ２７とを備えており、複数のプローブ３２と複数の電極２０ａ〜２０ｃとの電気的導通状態を、電子線照射部１１から電子線が照射された複数のプローブ位置確認部３３のボルテージコントラスト像で表示する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線照射部と、
試料に設けられた複数の電極に対応するように表面に設けられた複数のプローブと、前記複数のプローブと電気的に導通する複数のプローブ位置確認部とを有するプローブチップと
を含み、
前記複数のプローブと前記複数の電極との電気的導通状態を、前記電子線照射部から電子線が照射された前記複数のプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像で表示することを特徴とする観察装置。
【請求項２】
前記プローブチップは、裏面に前記複数のプローブ位置確認部を有しており、当該プローブチップが前記試料の上方に位置する状態で前記裏面に電子線が照射されることを特徴とする請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
電子デバイスに設けられた複数の電極に対応するように表面に設けられた複数のプローブと、前記複数のプローブと電気的に導通する複数のプローブ位置確認部とを有するプローブチップを用いて、
前記プローブチップを試料の上方に移動させて、前記複数のプローブ位置確認部に電子線を照射して得られる前記プローブ位置確認部のボルテージコントラスト像を、前記複数のプローブと前記複数の電極との電気的導通状態として観察しながら、前記複数のプローブと前記複数の電極との位置合わせを行うことを特徴とする観察方法。
【請求項４】
前記プローブチップは、裏面に前記複数のプローブ位置確認部を有しており、当該プローブチップが前記試料の上方に位置する状態で前記裏面に電子線が照射されることを特徴とする請求項３に記載の観察方法。
【請求項５】
前記電子デバイスの前記複数の電極の位置画像を取得し、
前記位置画像における前記複数の電極を確認しながら前記位置合わせを行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の観察方法。
【請求項６】
前記複数のプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像が前記試料の前記複数の電極のボルテージコントラスト像と一致することにより、前記複数のプローブと前記複数の電極との接触を確認することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイスの観察装置及び観察方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタ等の電子デバイスの電気的特性を評価する際に、電子デバイスの電気的導通状態を観察するには、電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）が用いられる。電子デバイスに電子線を照射すると、デバイス表面の帯電により、２次電子の検出量が変化することでコントラストの差が生じる。この変化を利用して、プローブを電子デバイスの電極に接触させる際の両者の電気的導通状態をボルテージコントラスト像で観察して確認する。
【０００３】
ＳＥＭを用いた従来の観察方法の具体例を図８に示す。ここでは、電子デバイスの３つの電極にそれぞれプローブを接触させて電気的導通を得る場合について説明する。
【０００４】
電子デバイスの試料１００の表面に電子線を照射する。この状態で図８の（１）に示すように、プローブ１０１のボルテージコントラスト像を見ながら、プローブ１０１の針先を電子デバイスの電極１１１に近づけてゆく。
【０００５】
続いて、図８の（２）に示すように、プローブ１０１のボルテージコントラスト像を見ながら、プローブ１０１の針先を電極１１２に接触させる。このとき、電極１１１の表面を傷付けないように注意する。
【０００６】
続いて、図８の（３）に示すように、プローブ１０２のボルテージコントラスト像を見ながら、プローブ１０２の針先を電子デバイスの電極１１２に近づけてゆく。
【０００７】
続いて、図８の（４）に示すように、プローブ１０２のボルテージコントラスト像を見ながら、プローブ１０２の針先を電極１１２に接触させる。このとき、電極１１２の表面を傷付けないように注意する。
【０００８】
続いて、図８の（５）に示すように、プローブ１０３のボルテージコントラスト像を見ながら、プローブ１０３の針先を電子デバイスの電極１１３に近づけてゆく。
【０００９】
続いて、図８の（６）に示すように、プローブ１０３のボルテージコントラスト像を見ながら、プローブ１０３の針先を電極１１３に接触させる。このとき、電極１１３の表面を傷付けないように注意する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３４３２８３号公報
【特許文献２】特開昭６３−２３２１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記した従来の観察方法により、ＳＥＭで観察しながら、微小領域においてプローブを１本ずつ電極に接触させるため、電極の数だけ接触作業が必要となり、手間がかかると共にプローブの破損を招来することが多い。プローブの侵入角度によっては、電極への接触作業が既に完了したプローブに当該プローブが干渉する場合があり、接触作業のやり直しを要することが多い。
【００１２】
電子デバイスの各電極にそれぞれプローブ接触させる様子を観察するには、電子デバイスの表面に電子線を照射し続けることが必要である。この場合、全てのプローブの接触を完了するまでには長時間を要するため、電子線により電子デバイスの表面にコンタミネーションが付着することでダメージを受ける。このコンタミネーションは、電子線の照射により、真空雰囲気中に存在するカーボンが電子線に引き寄せられて堆積するものである。このダメージにより電子デバイスの電気的特性が変動し、電気的特性の正確な測定が困難となる。
【００１３】
上記のように、ＳＥＭを用いた従来の観察方法には、複数の電極へのプローブ接触が極めて繊細で手間のかかる作業であり、プローブ及び電極が破損し易いという問題がある。これに加えて、プローブの接触作業が電極ごとの逐一の作業であるために長時間を要し、その間の電子線照射により電子デバイスの表面がダメージを受けるという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記の諸問題を解決すべくなされたものであり、プローブの電極への接触作業を容易且つ確実に行うことができ、接触作業に起因して試料の電極及びプローブに発生するダメージ及び電子線照射に起因して試料の電極に発生するダメージの双方を大幅に低減することを可能とする観察装置及び観察方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
観察装置の一態様は、電子線照射部と、試料に設けられた複数の電極に対応するように表面に設けられた複数のプローブと、前記複数のプローブと電気的に導通する複数のプローブ位置確認部とを有するプローブチップとを含み、前記複数のプローブと前記複数の電極との電気的導通状態を、前記電子線照射部から電子線が照射された前記複数のプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像で表示する。
【００１６】
観察方法の一態様は、電子デバイスに設けられた複数の電極に対応するように表面に設けられた複数のプローブと、前記複数のプローブと電気的に導通する複数のプローブ位置確認部とを有するプローブチップを用いて、前記プローブチップを試料の上方に移動させて、前記複数のプローブ位置確認部に電子線を照射して得られる前記プローブ位置確認部のボルテージコントラスト像を、前記複数のプローブと前記複数の電極との電気的導通状態として観察しながら、前記複数のプローブと前記複数の電極との位置合わせを行う。
【発明の効果】
【００１７】
上記の諸態様によれば、プローブの電極への接触作業を容易且つ確実に行うことができ、接触作業に起因して電極及びプローブに発生する発生するダメージ及び電子線照射に起因して試料の電極に発生するダメージの双方を大幅に低減することが可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態による電子デバイスの観察装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態による観察装置のプローブチップの概略構成を示す模式図である。
【図３】本実施形態による電子デバイスの観察方法をステップ順に示すフロー図である。
【図４】試料の電極の画像を示す模式図である。
【図５】プローブチップのプローブと試料の電極との接触状態を示す概略断面図である。
【図６】プローブチップのプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像において、プローブチップのプローブと試料の電極との電気的導通の一例を示す模式図である。
【図７】本実施形態及び従来例において、位置合わせ時における電子線の照射状態を示す模式図である。
【図８】ＳＥＭを用いた従来の観察方法の具体例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、電子デバイスの観察装置及び観察方法の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、電子デバイスの試料として半導体基板上にゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有するトランジスタを例示する。
【００２０】
（電子デバイスの観察装置の構成）
図１は、本実施形態による電子デバイスの観察装置の概略構成を示す模式図である。
この観察装置は、ＳＥＭ１、及び電子デバイスの電気的特性を測定する測定器２を備えて構成されている。
【００２１】
ＳＥＭ１は、顕微鏡部１１、第１制御部１２、試料室１３、第２制御部１４、及び真空ポンプ・電源部１５を備えて構成されている。
顕微鏡部１１は、鏡筒２１と、鏡筒２１内の天井面に設けられた、電子線（電子ビーム）を出射する電子銃２２と、電子線の照射状態を調節するためのコンデンサレンズ２３と、試料からの２次電子を検出する２次電子検出器２４とを備えて構成されている。
【００２２】
第１制御部１２は、顕微鏡部１１を駆動制御するものであり、試料１０のボルテージコントラスト像を表示する表示部２５を備えている。
試料室１３は、試料１０が載置固定される試料ステージ２６と、プローブチップ２７とを備えて構成されている。
【００２３】
図２は、本実施形態による観察装置のプローブチップの概略構成を示す模式図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の破線Ｉ−Ｉ'に沿った断面図である。（ａ）の平面図では、チップ構成の判り易さを考慮して、基板を透視してプローブチップの表面及び裏面を同時に表示している。
【００２４】
プローブチップ２７は、複数（例えば６個）のプローブ３２と、複数のプローブ位置確認部３３と、複数の接続部３４とを備えて構成されている。
プローブ３２は、金属等の導電材料からなり、試料１０に設けられた複数の電極に対応するように基板３１の表面に並んで設けられており、基板３１の表面に形成されたプローブ支持膜３５の下部が埋め込まれ、上部がプローブ支持膜３５から露出している。
【００２５】
プローブ位置確認部３３は、金属等の導電材料からなり、基板３１を貫通してプローブ３２と電気的に導通するビア（コンタクト）であって、一端がプローブ３２と電気的に接続されて導通し、他端が基板３１の裏面から露出している。
接続部３４は、金属等の導電材料からなり、基板３１内で一端が配線３６に接続されて当該配線３６を介してプローブ３２と電気的に導通するビア（コンタクト）であって、他端が基板３１の裏面から露出している。
【００２６】
第２制御部１４は、試料ステージ２６の位置及びプローブチップ２７の位置を駆動制御するものである。第２制御部１４は、操作者の操作により、試料１０が載置固定された試料ステージ２６を試料室１３内の所定位置に移動させ、表示部２５に表示された試料１０のボルテージコントラスト像を確認しながらプローブチップ２７の試料１０に対する位置合わせを行う。
【００２７】
真空ポンプ・電源部１５は、ＳＥＭ１の電源が設けられていると共に、試料室１３内を所望の真空度に調整するための真空ポンプが設けられている。
【００２８】
測定器２は、プローブチップ２７の裏面に露出する接続部３４と電気的に接続されている。測定器２は、操作者がプローブ位置確認部３３のボルテージコントラスト像を見ることにより、プローブ３２の試料１０の電極との電気的導通を確認した後、当該電極を通じて電子デバイスの電気的特性を測定する。
【００２９】
（電子デバイスの観察方法）
図３は、本実施形態による電子デバイスの観察方法をステップ順に示すフロー図である。図４は、試料の電極の画像を示す模式図である。（ａ）がボルテージコントラスト像及び位置合わせ画像を並列して示しており、（ｂ）がボルテージコントラスト像及び位置合わせ画像を重ね合わせた画像に対してプローブチップが移動してゆく様子を示している。図５は、プローブチップのプローブと試料の電極との接触状態を示す概略断面図であり、（ａ）が接触前、（ｂ）が接触後をそれぞれ示している。図６は、プローブチップのプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像において、プローブチップのプローブと試料の電極との電気的導通の一例を示す模式図である。
【００３０】
先ず、所定のプローブチップを取り付け（ステップＳ１）、第２制御部は、測定箇所を試料室内の電子線観察領域に移動させる（ステップＳ２）。
続いて、第１制御部は、顕微鏡部の電子銃から電子デバイスの試料に電子線を照射し、図４（ａ）のような試料のボルテージコントラスト像を取得する（ステップＳ３）。ボルテージコントラスト像は、試料表面の帯電により、２次電子の検出量が変化することでコントラストの差が生じて形成される画像である。ボルテージコントラスト像において、黒く見える部分は２次電子が検出されないものであり、黒色の電極は基板と導通していない。白色の部分は２次電子が検出されたものであり、白色の電極は基板と導通している。図４（ａ）では、測定箇所において、白色の電極は、基板と導通するソース／ドレイン電極である。灰色の電極は、基板とゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極であって、２次電子の検出量が導通の場合よりも少ないために灰色となる。
【００３１】
第１制御部は、得られたボルテージコントラスト像の電極画像のみを位置合わせ画像として取得する（ステップＳ４）。後述する位置合わせ作業において、ボルテージコントラスト像と位置合わせ画像とを並べて観察しても良いが、本実施形態では、ボルテージコントラスト像と位置合わせ画像とを重ね合わせて観察する場合について例示する。
【００３２】
続いて、第２制御部は、プローブチップを測定箇所の近傍まで移動させてゆく（ステップＳ５）。このとき、図４（ｂ）のように、ボルテージコントラスト像及び位置合わせ画像を重ね合わせた画像（以下、単に位置合わせ画像と言う。）に対してプローブチップ２７が移動し、位置合わせ画像にプローブチップが重畳される（ステップＳ６）。このとき、図５（ａ）のように、プローブチップ２７の各プローブ３２が試料１０の対応する各電極（ソース電極２０ａ、ドレイン電極２０ｂ、及びゲート電極２０ｃ）の上方に位置整合する。
【００３３】
プローブチップには、その裏面に各プローブと電気的に導通した各プローブ位置確認部が露出している。位置合わせ画像にプローブチップが重畳されると、電子線は当該裏面に照射され、試料はプローブチップにより電子線の照射が遮断される。プローブ位置確認部はプローブと電気的に導通しているため、プローブ位置確認部への電子線の照射により、プローブ位置確認部は当該プローブと同様のボルテージコントラスト像となる。即ちボルテージコントラスト像において、プローブ位置確認部が黒色の場合には、当該プローブ位置確認部と接続されたプローブは対応する電極と接触しておらず、プローブと電極とが導通していないことが確認される。プローブ位置確認部が白色の場合には、当該プローブ位置確認部と接続されたプローブは対応する電極（ソース電極又はドレイン電極）と接触しており、プローブと電極とが導通していることが確認される。プローブ位置確認部が灰色の場合には、当該プローブ位置確認部と接続されたプローブは対応する電極（ゲート電極）と接触していることが確認される。以上のように、プローブ位置確認部のボルテージコントラスト像により、当該プローブ位置確認部と接続されたプローブの電極との電気的導通状態を認識することができる。
【００３４】
プローブチップの各プローブが試料の対応する各電極の上方に位置整合すると、図６の（１）のように、ボルテージコントラスト像における各プローブ位置確認部の位置が位置合わせ画像における各電極の位置と一致する。プローブ３２と電極（ソース電極２０ａ、ドレイン電極２０ｂ、及びゲート電極２０ｃ）とが図５（ａ）のように離間しているときには、図６の（１）のようにボルテージコントラスト像における測定箇所のプローブ位置確認部は全て黒色として確認される。
【００３５】
ステップＳ６に続いて、測定箇所のプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像が全て黒いことを確認する（ステップＳ７）。
続いて、必要に応じて、プローブチップの下降及びプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像の確認を行う（ステップＳ８）。ステップＳ８は、測定箇所におけるプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像が、測定箇所における試料の電極のボルテージコントラスト像（図６の左上図）と完全に一致するまで行われる。
以下、図６を用いて、プローブチップの下降及びプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像の確認の一例について説明する。
【００３６】
第２制御部は、プローブチップを試料に対して下降させ、接近させてゆく（ステップＳ８）。プローブチップの下降量は例えば０．２０μｍ程度とする。このとき、例えば図６の（２）のように、ボルテージコントラスト像において試料のソース電極と接続されたプローブ位置確認部が黒色から白色に変わった場合には、プローブがソース電極に接触して電気的導通が得られたことが確認される。他のプローブ位置確認部に黒色からの変化が見られなければ、ドレイン電極及びゲート電極についてはプローブとの電気的導通は未だ得られていない。
【００３７】
上記の場合には、更にプローブチップを試料に対して下げる（ステップＳ８）。このとき、例えば図６の（３）のように、ボルテージコントラスト像において試料のゲート電極と接続されたプローブ位置確認部が黒色から灰色に変わった場合には、プローブがゲート電極に良好に接触したことが確認される。ドレイン電極に接続されたプローブ位置確認部に黒色からの変化が見られなければ、ドレイン電極についてはプローブとの電気的導通は未だ得られていない。
【００３８】
上記の場合には、更にプローブチップを試料に対して下げる（ステップＳ８）。このとき、例えば図６の（４）のように、ボルテージコントラスト像において試料のドレイン電極と接続されたプローブ位置確認部が黒色から灰色に変わった場合には、プローブがドレイン電極に良好に接触したことが確認される。
【００３９】
図６の（４）では、測定箇所におけるプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像が、測定箇所における試料の電極のボルテージコントラスト像（図６の左上図）と完全に一致したことから、図５（ｂ）のように、測定箇所における全ての電極（ソース電極２０ａ、ドレイン電極２０ｂ、及びゲート電極２０ｃ）についてプローブ３２との良好な接触が得られていることが認識される（ステップＳ９）。この場合には、本実施形態による観察方法が完了する。
【００４０】
図６は、プローブチップの下降及びプローブ位置確認部のボルテージコントラスト像の確認の一例である。例えば１回目のプローブチップの下降により、図６の（４）のボルテージコントラスト像が確認されれば、その時点でステップＳ９が終了し、本実施形態の観察方法が完了する。
【００４１】
ステップＳ１０において、プローブチップの下降を繰り返し行った結果、下降の総量が１．５μｍ程度を超えた場合には（ステップＳ１１）、プローブと電極との位置合わせ作業を中止する。この場合には、ステップＳ３〜Ｓ８のいずれかで問題が発生したものと判断し、ステップＳ３に戻って再びステップＳ３から実行する。先ず、プローブチップが試料の電極から完全に離間するように、第２制御部は、プローブチップを例えば１０μｍ程度上昇させ（ステップＳ１２）、測定箇所が確認できるまでプローブチップを移動させる（ステップＳ１３）。そして、ステップＳ３から実行する。
【００４２】
本実施形態の観察方法が完了した後、測定器２は、試料の電極を通じて電子デバイスの電気的特性を測定する。
【００４３】
本実施形態においては、試料の複数の電極に対応した複数のプローブが表面に並んで設けられたプローブチップを用いるため、プローブの電極への接触作業を短時間で容易且つ確実に行うことができ、大電流を用いた試料の電気的特性の測定にも十分に対応できる。複数のプローブがプローブチップの表面に固定されているため、プローブ間で干渉することがなく、試料の電極を傷める懸念がない。
【００４４】
図７（ａ）に示す従来の観察装置では、プローブ１０１〜１０３と電極１１１〜１１３との位置合わせ作業時には、電極１１１〜１１３に電子線を照射し続けることを要する。
本実施形態においては、図７（ｂ）に示すように、プローブチップ２７のプローブ３２と試料１０の電極（ソース電極２０ａ、ドレイン電極２０ｂ、及びゲート電極２０ｃ）との位置合わせ作業時において、プローブチップが試料の上方に位置している。そのため、電子線はプローブチップ２７の裏面を照射して試料１０への電子線の照射が遮断される。従って、電子線の照射による試料１０の電極（ソース電極２０ａ、ドレイン電極２０ｂ、及びゲート電極２０ｃ）へのダメージの発生が大幅に軽減し、試料１０の電気的特性正確な測定が可能となる。
【００４５】
以上のように、本実施形態よれば、プローブの電極への接触作業を容易且つ確実に行うことができ、接触作業に起因して試料の電極及びプローブに発生するダメージ及び電子線照射に起因して試料の電極に発生するダメージの双方を大幅に低減することが可能とする。
【符号の説明】
【００４６】
１  ＳＥＭ
２  測定器
１０，１００  試料
１１  顕微鏡部
１２  第１制御部
１３  試料室
１４  第２制御部
１５  真空ポンプ・電源部
２０ａ  ソース電極
２０ｂ  ドレイン電極
２０ｃ  ゲート電極
２１  鏡筒
２２  電子銃
２３  コンデンサレンズ
２４  ２次電子検出器
２５  表示部
２６  試料ステージ
２７，１０１〜１０３  プローブチップ
３１  基板
３２  プローブ
３３  プローブ位置確認部
３４  接続部
３５  プローブ支持膜
３６  配線
１１１〜１１３  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018081811.tif 000009
【図８】
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