(57)【要約】【課題】長波長の光を用いながら、微細な半導体デバイス内部の電気的性質・物理的性質の計測・観察が可能な解像度の高い解析技術を提供することである。【解決手段】固体レンズを試料に密着させ、対物レンズと共に用いることにより、固体レンズの屈折率に比例して解像度を向上した、試料内部パターンの計測・観察が可能となる。これを用いることにより、回路の動作状態のプロービング、信号印加時の発光の場所による分布、光誘起電流の場所による分布、光誘起抵抗変化の場所による分布などが可能となる。【選択図】　図２
2004020404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの照明光を対物レンズと該対物レンズと試料である半導体デバイスとの間に配置した近接レンズとを介して前記試料に照射し、該照明光が照射された試料の光学像を前記近接レンズと前記対物レンズとを介し検出することにより、前記照明光の波長と前記対物レンズの仕様で決まる解像度よりも微細な前記半導体デバイスのパターンを計測または観察することを特徴とする半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項２】
前記近接レンズを、前記試料である半導体デバイスに近接または接触させて配置したことを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項３】
前記近接レンズは、前記試料である半導体デバイスとほぼ同じ屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項４】
前記近接レンズは、前記試料である半導体デバイスと同じ材質の材料で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項５】
前記近接レンズは、前記試料である半導体デバイスの屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項６】
前記試料である半導体デバイスと前記近接レンズの間に屈折率の高い液体を満たしたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項７】
基板の表面に回路パターンが形成された半導体デバイスに対して前記基板の裏面側から、対物レンズと該対物レンズと前記半導体デバイスとの間に配置した近接レンズとを介して照明光を照射し、該照明光が照射された前記半導体デバイスからの反射光を前記近接レンズと前記対物レンズとを介して検出することにより、前記基板上に形成されたパターンの光学像を計測または観察することを特徴とする半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項８】
前記近接レンズを、前記半導体デバイスの基板の裏面に近接または接触させて配置したことを特徴とする請求項６記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項９】
前記近接レンズは、前記半導体デバイスの基板とほぼ同じ屈折率を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１０】
前記近接レンズは、前記半導体デバイスの基板と同じ材質の材料で構成されたことを特徴とする請求項６に記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１１】
前記近接レンズは、前記半導体デバイスの基板の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１２】
前記半導体デバイスと前記近接レンズとの間に、屈折率の高い液体を満たしたことを特徴とする請求項６乃至９の何れかに記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１３】
基板上に回路パターンが形成された半導体デバイスの該回路パターンの所望の部分に電圧を印加し、該電圧を印加した状態で前記半導体デバイスの表面に照明光を対物レンズと近接レンズとを介して走査しながら照射し、該照明光が照射された前記回路パターンの前記所望の部分に流れる電流を前記走査と同期させて検出し、該検出した前記所望の部分に流れる電流の信号と前記照明光の走査の情報とを用いて前記回路パターンの画像を得、該画像を用いて前記回路パターンを計測または観察することを特徴とする半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１４】
基板上に回路パターンが形成された半導体デバイスの該回路パターンを含む所望の領域に照明光を対物レンズと近接レンズとを介して走査しながら照射し、該照明光が照射された前記所望の領域の回路パターンに流れる電流を前記走査と同期させて検出し、該検出した前記所望の領域の回路パターンに流れる電流の信号と前記照明光の走査の情報とを用いて前記回路パターンの画像を得、該画像を用いて前記回路パターンを計測または観察することを特徴とする半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１５】
基板上に回路パターンが形成された半導体デバイスの該回路パターンを含む所望の部分に照明光を対物レンズと近接レンズとを介して走査しながら照射し、該照明光が照射された前記所望の部分からの反射光を前記対物レンズと近接レンズとを介して検出することにより前記回路パターンの画像を得、該画像を用いて前記回路パターンを計測または観察することを特徴とする半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１６】
前記近接レンズを、前記試料である半導体デバイスに近接または接触させて配置したことを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１７】
前記近接レンズは、前記試料である半導体デバイスとほぼ同じ屈折率を有することを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１８】
前記近接レンズは、前記試料である半導体デバイスと同じ材質の材料で構成されたことを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項１９】
前記近接レンズは、前記試料である半導体デバイスの屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を有することを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項２０】
前記試料である半導体デバイスと前記近接レンズの間に屈折率の高い液体を満たしたことを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載の半導体デバイスの計測または観察方法。
【請求項２１】
照明光を発射する光源と、対物レンズ手段と、試料である半導体デバイスを載置するテーブル手段と、前記対物レンズ手段と前記テーブル手段に載置した試料との間に配置させた近接レンズ手段と、前記光源から発射された照明光を前記対物レンズと前記近接レンズ手段とを介して前記試料に照射する照射手段と、該照射手段により照明光が照射された前記試料からの反射光を前記近接レンズ手段と前記対物レンズ手段とを介して検出する検出手段と、該検出手段で前記試料からの反射光を検出して得た信号から前記試料の画像を得る画像取得手段とを備えたことを特徴とする半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項２２】
前記画像取得手段は、前記照明光の波長と前記対物レンズ手段の仕様で決まる解像度よりも微細な前記半導体デバイスのパターンの画像を得ることを特徴とする請求項２０に記載の半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項２３】
前記照射手段は、前記照明光を前記対物レンズと前記近接レンズ手段とを介して前記試料に走査して照射することを特徴とする請求項２０に記載の半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項２４】
前記近接レンズ手段を、前記試料である半導体デバイスに近接または接触させて配置したことを特徴とする請求項２０記載の半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項２５】
前記近接レンズ手段は、前記試料である半導体デバイスとほぼ同じ屈折率を有することを特徴とする請求項２０に記載の半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項２６】
前記近接レンズ手段は、前記試料である半導体デバイスと同じ材質の材料で構成されたことを特徴とする請求項２０に記載の半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項２７】
前記近接レンズ手段は、前記試料である半導体デバイスの屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を有することを特徴とする請求項２０に記載の半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項２８】
照明光を発射する光源と、対物レンズ手段と、試料である基板上に回路パターンが形成された半導体デバイスを載置するテーブル手段と、前記対物レンズ手段と前記テーブル手段に載置した試料との間に配置させた近接レンズ手段と、前記光源から発射された照明光を前記対物レンズと前記近接レンズ手段とを介して前記半導体デバイスの回路パターンを含む所望の領域に走査して照射する照射手段と、該照射手段により照明光が照射された前記所望の領域の回路パターンに流れる電流を前記走査と同期させて検出する電流検出手段と、該電流検出手段で検出した前記所望の領域の回路パターンに流れる電流の信号と前記照明光の走査の情報とを用いて前記回路パターンの画像を取得する画像取得手段とを備えたことを特徴とする半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項２９】
前記照射手段で照明光を照射された領域からの反射光を前記近接レンズと前記対物レンズとを介して前記照射手段で照明光を照射された領域の光学像を検出する光学像検出手段を更に備えたことを特徴とする請求項２７記載の半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項３０】
前記照射手段で照明光を照射する前記半導体デバイスの所望の領域の回路パターンに電圧を印加する電圧印加手段を更に備えたことを特徴とする請求項２７又は２８に記載の半導体デバイスの計測または観察装置。
【請求項３１】
前記近接レンズ手段を、前記試料である半導体デバイスに近接または接触させて配置したことを特徴とする請求項２７記載の半導体デバイスの計測または観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて半導体デバイスの解析を行う技術に関して、これを高解像度で行うための技術およびその装置に関する。解析技術としては、半導体デバイスに信号を加えた状態で、発光の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する光誘起電流の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する配線抵抗の変化の分布を観測する技術、半導体デバイスのトランジスタ部等に、スポット光を集光し反射光の変化を観察することによってトランジスタの動作状態の変化を非接触で観察する技術が含まれる。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハなどに形成された微細回路を解析するためのシステムとして、光を用いてデバイスの表面より内側の形状や、物理的な性質、動作状態等を観察する技術が多用されている。たとえば、半導体デバイスに信号を加えた状態で、発光の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する光誘起電流の分布を観測するＯＢＩＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する配線抵抗の変化の分布を観測するＯＢＩＲＣＨ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｃｈａｎｇｅ）技術、半導体デバイスのトランジスタ部等に、スポット光を集光し反射光の変化を観察することによってトランジスタの動作状態の変化を非接触で観察する技術が含まれる。
【０００３】
例えば、特開平１０−３２６８１７号公報には、半導体デバイスの裏面を研磨した試料を用いて、裏面から赤外光でデバイスを観察することによって、解析したいパターンを探し、ここをイオンビームなどで削って所望の回路を露出させる方法が示されている。本公知例のなかには試料に動作信号を加えた状態で、裏面から赤外光のビームを回路素子に集光して反射光の強度を計測することで、回路素子の電圧状態をモニターし、これによって非接触で回路の動作を観察するレーザ裏面電位観測技術も公知例として記述されている。
【０００４】
また、ＯＢＩＲＣＨ技術については、たとえば、ＬＳＩテスティングシンポジウム２０００会議録、ｐｐ１９１−１９６に記載されている。
【０００５】
また、ＬＳＩテスティングシンポジウム２０００会議録、ｐｐ２０３−２０８にはＯＢＩＣ電流による微弱な磁界の変化を高感度の磁界検出ＳＱＵＩＤ素子を用いて検出する走査レーザＳＱＵＩＤ顕微鏡が報告されている。
【０００６】
半導体の回路パターンが近年縮小を重ね０．２マイクロメータ以下の線幅が使われるようになり、深紫外光を用いた露光装置で形成されるようになってくると、上記説明した技術では解像度が足りなくなってくる。これは、光の解像度は略λ／２ＮＡによって限界が決まるため、波長の短い０．２マイクロメータ前後の紫外光を用いて形成した微細パターンは同じく波長の短い光で観察しないと十分な解像度が得られないためである。ここで、λは光の波長、ＮＡはレンズの開口数であり、ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθであらわされる。ｎはレンズと試料の間の空気の屈折率で、略１である。θは開口角で、レンズによって決まる集光角である。高倍率の顕微鏡対物レンズでは、ＮＡ＝０．９前後、半導体パターンを露光するための露光レンズでは、ＮＡ＝０．７前後である。
【０００７】
ところが、前述した半導体のデバイスの内部を観察する技術では、従来、表面の絶縁膜の素材である酸化シリコンが透明であることを利用して、半導体デバイスの表側の面から観察することが広く行われていた。しかし近年半導体の高集積化に伴なって配線の総数が増し、電気特性の向上のために電源・グランドパターンを密に配置し、また、ＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリッシング）のために、ダミーの配線パターンを配置したりするようになっている。このため、表面から内部を光で観察する場合に不透明な金属の配線パターンにさえぎられて、内部が見えにくくなってきている。このため、上層配線に邪魔されずにトランジ　スタや下層配線を観察できる半導体デバイスの裏面からの観察が重要になってきている。
【０００８】
半導体デバイスの裏側を構成するシリコン基板を透過する光として波長が０．７マイクロメータより大きい赤外光、たとえば１．３マイクロメータの光を用いる必要がある。一般にシリコンは波長０．９マイクロメートルから１．９マイクロメートルの波長範囲の光に対して透明である。また、光誘起の配線抵抗の変化を検出する技術においては、光子のエネルギーの大きい可視光を用いると配線抵抗の変化だけでなく、半導体素子のＰＮ接合部で生じる光誘起電流効果も生じてしまうので赤外光を用いる必要がある。このため、λ／２ＮＡで定まる解像度は、たとえばＮＡ＝０．６５、λ＝１．３マイクロメータのレンズと光を用いると、１マイクロメータとなってしまいパターンサイズに対して十分な解像度が得られない。このため、発光の分布観測、ＯＢＩＣ、ＯＢＩＲＣＨ技術において、問題の箇所が微細パターン上にある場合に回路上で絞り込むことが困難である、光プローブによるトランジスタ動作状態モニターを行う場合に、必要なトランジスタ以外の箇所にも光があたってしまって、所望の部分の動作状態をモニターすることができないといった問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記説明したように、従来技術では半導体の内部を光を用いて観察・計測する場合に、光の波長によって定まる解像限界に阻まれ、必要な解像度が得られないという問題があった。これを解決するために、使用光の波長を短くする方法が半導体パターンの露光技術の類推から考えられるが、半導体に多用されるシリコンは赤外光は透過するが、波長が短くなると急激に透過率が悪くなる、デバイスを動作させたときの発光強度が赤外光ほど強いので、短波長ででは感度が悪くなる、デバイスに光を照射したときの物理現象の起こり方が変わってしまい所望のものではなくなる、等の問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、光の波長を短くすることなく光の波長と対物レンズの仕様で定まる解像度よりも微細なパターンを光学的に計測・観察できる高解像度解析方法および装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
図１は、従来法における半導体デバイスの光学的計測・観察の問題点を示す図である。このように対物レンズ１００によって半導体デバイス９００の内部、たとえば、トランジスタのソースあるいはドレイン部９０１を観察する場合、検出光２００を対物レンズ２００によって絞り込もうとしても、試料９００の表面で屈折率が空気の１から材料によって定まる高屈折率の領域に入るために屈折する。図の場合はシリコン基板９０５で、屈折率は約３．４と高いので、臨界角はａｒｃｓｉｎ（１／３．４）＝１７度となり、対物レンズで絞り込んでも、シリコン基板９０５に入射する時点で並行光に近くなって絞り込めなくなる。また、逆に試料内部からの光を結像する場合も同様に、図示した角度よりも外側に広がった光は対物レンズ１００に取り込むことができず、解像度を上げることができなくなる。
【００１２】
これに対して、光を試料内部に広角度で導くことができれば、解像度を向上することができる。即ち、光の波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）で表すと、λ／（２・ＮＡ）で表される解像度に対して、見かけ上のＮＡを大きくすることにより、解像度を向上させることができる。図２に示すようにレンズ１０１を試料９００に密着させて、対物レンズ１００との間におく。レンズ１０１をたとえば半球状のものとして、屈折率が試料９００の表面９０５を構成する材質に近いものを選ぶ。すると、対物レンズ１００より発した光２００は、レンズ１０１に垂直に近い状態で入射するので、方向をあまり変えないでレンズ１０１内部に入り、レンズ１０１と試料表面９０５が類似の屈折率を持つように選んであるので、１０１と９０５の界面で入射光２００はあまり屈折せずに９０５内部に入射する。そのため、被観察面９０１に大きい角度で入射光２００を絞り込むことができ、見掛け上、レンズ１０１のＮＡが大きくなる。このため、図１に対して解像度が向上する。
【００１３】
試料に半球状のレンズを密着させる方法は固体含浸レンズとして一般に知られている。これは、半球状のレンズの表面に結像するように対物レンズと半球状レンズを配置することによって、試料の表面の微細パターンを観察する方法である。解像度は開口数：ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθに反比例するので、半球状のレンズの屈折率に反比例して、解像度が向上することになる。とことが、半導体デバイスでは観察・計測したい対象は、デバイスの内部のパターンであるため、一般に知られた固体含浸レンズは用いることができない。
【００１４】
このため、本発明では、固体含浸レンズを試料の屈折率に類似の屈折率をもつ含浸レンズをもちいて、レンズと試料を一体化して含浸レンズとして働くように設計し、試料の内部に像を絞り込むことができるようにした。これによって解像度を向上し、光の波長で定まる解像度よりも微細なパターンの光学的な計測・観察ができることを特徴とする高解像度解析方法及びその装置を実現した。
【００１５】
また、固体レンズと試料の間の界面による反射を防ぐために、本発明は、屈折率の高い液体を固体レンズと試料の間に浸した状態で用いる高解像度解析方法及びその装置である。
【００１６】
また、固体レンズと試料の間の界面による反射を防ぐために、本発明は、平面状で弾性のある回折レンズをもちいてレンズを試料に密着させることを特徴とする高解像度解析方法及びその装置である。
【００１７】
また、まず視野の広い従来の方法で光学的な計測・観察を行い、解析個所を絞り込んでから固体含浸レンズを挿入して、高解像度での光学的な計測・観察をおこなうことを特徴とする高解像度解析方法及びその装置である。
【００１８】
また、固体含浸の代わりに高屈折率の液体を用いることにより、高解像度での光学的な計測・観察をおこなうことを特徴とする高解像度解析方法及びその装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図２は本発明にかかわる、半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す図である。レンズ１０１を試料９００に密着させて、対物レンズ１００との間におく。レンズ１０１をたとえば半球状のものとして、屈折率が試料９００の表面９０５を構成する材質に近いものを選ぶ。すると、対物レンズ１００より発した光２００は、レンズ１０１に垂直に近い状態で入射するので、方向をあまり変えないでレンズ１０１内部に入り、レンズ１０１と試料表面９０５が類似の屈折率を持つように選んであるので、１０１と９０５の界面で入射光２００はあまり屈折せずに９０５内部に入射する。そのため、被観察面９０１に大きい角度で入射光２００を絞り込むことができる。
【００２０】
ここで、レンズ１０１はシリコン基板９０５の厚みを考慮して、１０１と９０５が組み合わさって結像するように設計する。すなわち、たとえば、レンズ１０１として半球状レンズを用い、９０５と同じ材質を用いる場合には、レンズ１０１の曲率中心と被観察面９０１が一致するように構成しておく。これは、９０５の厚みにあわせてレンズ１０１を設計するか、あるいは、レンズ１０１の曲率に合わせて、試料９００を研磨処理し厚みをそろえておくことによって、レンズと試料が一体となって解像度向上のために働くようになる。なお、レンズの材質は試料と同じである必要はなく、略同じ屈折率を持つものであればいい。または、材料の屈折率と空気の屈折率１の中間の値を持った材料のレンズ１０１を用いてもよい。いずれにしても、レンズ１０１の屈折率に反比例して、解像度は向上する。ここで、９０５の厚みが想定と異なると焦点を結ぶ位置が変わってしまうので、焦点をあわせる必要がある。これは、対物レンズ１００とレンズ１０１との距離を調整することで可能である。
【００２１】
また、レンズ１０１と試料９００の間の界面の接合が悪いとここで光が反射して解像度向上の効果が落ちる。このため、レンズ１０１と試料９００の間に屈折率の高い液体を満たすことによって、界面の反射を押さえることも実施例の別の形態として可能である。
【００２２】
また、レンズ１０１と試料９００の間の界面の接合が悪いとここで光が反射して解像度向上の効果が落ちる課題に対して、レンズ１０１と試料９００の少なくとも一方に反射防止用コーティングを施すことにより、界面の反射を押さえることも実施例の別の形態として可能である。
また、別の実施例として、９００を平坦に研磨する代わりに、レンズ１０１の形状を研磨によって試料に作りこんでしまい、試料自体をレンズとして用いて、上記界面の問題を避けて高解像度で試料の内部を観察・計測することも可能である。
【００２３】
また、別の実施例として、レンズ１０１を用いずに対物レンズ１００と試料９００の間に高屈折率の液体を満たすことによって、この液体の屈折率に反比例して解像度を向上させて試料の内部を観察・計測することも可能である。
【００２４】
図３は、本発明において、回折レンズを用いた場合の構成の例を示す図である。球面状のレンズの代わりに回折レンズ１１１を用いる。これも、図２で示した実施例におけるレンズ１０１と同様に作用して、高解像度で試料９００の内部を観察・計測するために作用する。回折レンズ１１１を用いる利点は、レンズが薄いため弾力性を持たせることが容易で、このためにこれを変形させて試料９００に密着させることが容易であることである。
【００２５】
試料との密着性を高めるための別の実施例を図４に示す。半球状レンズの平坦面のうち、平坦なことが必要な部分は光線２００が通る中心部分だけである。そのため、平坦面の中心部を残して削り落として試料との密着性をよくしたレンズ１１２を用いることも可能である。
【００２６】
また、本発明において、レンズと試料の密着性と取り外しやすさの両方を得るために、エアーを出し入れする口を設けた別の構成の例を図５に示す。半球状レンズ１０１、あるいは回折レンズ１１１において、エアーを出し入れするための管１２０を設け、ここからエアーを引くことでレンズを試料９００に密着させ、また、観察・計測が終わったあとにここからエアーを注入することで、レンズを試料９００から外れやすくすることが可能である。あるいは、はずす代わりにエアーを吹き込みながらレンズ１０１あるいは１１１を試料９００に対して滑らせて次の観測視野に移動させることが可能になる。あるいは、エアーの代りに管１２０から、界面での反射を抑え、また、レンズ１０１あるいは１１１と試料９００の間のすべりをよくするための高屈折率の液体を注入することも可能である。
【００２７】
本発明において、対物レンズと試料に密着するレンズを弾性結合して、対物レンズを試料に押し付ける場合のとりまわしを容易にする実施例を図６に示す。この図で１３０は対物レンズに対してレンズ１０１あるいは１１１を弾性的に支持するための部材で、これによって、対物レンズ１００を試料９００に押し付けることによって、簡単にレンズ１０１または１１１を試料９００に対して密着させることが可能になる。弾性支持部材１３０はばね状の部材を用いて構成してもよいし、ゲル状の物質で対物レンズ１００とレンズ１０１あるいは１１１との間を満たすことで構成してもよい。
【００２８】
本発明において、半導体デバイスの表面側から計測・観察を行う場合の実施例を図７にしめす。表面側の材質９０４は通常、酸化シリコンあるいは窒化シリコンからなっている。これらの屈折率は１．５乃至２．０程度であり、シリコンほどは高くない、このため、試料に密着させるレンズ１１２として、シリコンレンズを用いても良いが、酸化シリコンや窒化シリコンのレンズを用いても十分である。
【００２９】
以下に実際の観察・計測に本発明を適用した場合の実施例を示す。
【００３０】
図８に、ＯＢＩＲＣＨ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｃｈａｎｇｅ）およびＯＢＩＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）の原理を示す。
【００３１】
ＯＢＩＲＣＨでは、図８（ａ）のように半導体デバイスに探針を当て、電圧をかけた状態で端子間に流れる電流をモニターする。この状態でレーザ光を矢印で示すようにスキャンし、スキャン位置に対応する電流の変化を画像として取得する。電流は回路の抵抗に対応するのでこのようにすることで、光があたることによって抵抗が変化する部位が明らかになる。光があたることによって抵抗が変わりやすい点は、配線が細くなっているところなど、回路の異常な点に対応する。
【００３２】
ＯＢＩＣでは、図８（ｂ）のように半導体デバイスに探針を当て、流れる電流をモニターする。この状態でレーザ光をスキャンし、スキャン位置に対応する電流の変化を画像として取得する。半導体回路ではＰＮ接合部など光の照射によって光誘起電流が出やすい箇所がある。このＯＢＩＣ画像が正常と異なっている場合は異なった箇所およびそこに接続している箇所に異常がある事が多い。なお、ＯＢＩＣでは光誘起電流を発生するために半導体のバンドギャップよりもエネルギーの大きい短波長の光を当てる必要があるが、ＯＢＩＲＣＨではＯＢＩＣ現象を起こさないように半導体のバンドギャップよりもエネルギーの小さい光、多くの場合は赤外光、を当てる必要がある。
【００３３】
本発明をＯＢＩＲＣＨおよびＯＢＩＣを高解像度で実行するために用いた実施例を、図９に示す。レーザ光源１５０から出射した光線は偏向手段１５１で向きを変えられてミラー１５３で反射してから、対物レンズ１００をとおり、密着レンズ１０１を通って試料９００に照射される。電流像形成装置３０３は偏向手段１５１をコントロールすると同時に電流アンプ３０４でプローブ３１０より得られた、電流変化を偏向位置にたいする画像として取得する。この構成によって高解像度でＯＢＩＣ像あるいはＯＢＩＲＣＨ像を取得することが可能となる。この像は全体制御装置３０２を介してユーザインターフェース３０７に表示される。
【００３４】
また、上記画像取得を行う前に信号印加装置３０６によって半導体デバイス９００を所定の回路動作状態にセットすることもある。また、イメージセンサ１５２によって通常の光学観察像を得ることも可能となる。本画像、および、ＯＢＩＣ像あるいはＯＢＩＲＣＨ像は、画像解析装置３０１によって解析される。また、広視野画像によってまず観察場所の絞込みを行うために、レンズ１０１を用いないで通常の対物レンズ１００のみによる観察を行ったあと、観察場所を絞り込んで狭視野・高解像で観察を行うために、レンズハンドリング装置３０９を持ち、レンズ１０１の挿入・取り外しが容易にできるようになっている。あるいは、レンズ１０１つき対物レンズ１００と通常の対物レンズ１００をリボルバーで切り替えられるようにしても良い。この切り替えはレンズハンドリング装置３０９に全体制御装置３０２が指令を出すことによって実現される。また、試料の観察位置出し、焦点調整のため、Ｘ、Ｙ、Ｚステージ３５０を持ちこれはステージ制御装置３０５を介して全体制御装置３０２によって制御される。
【００３５】
本発明において、走査レーザＳＱＵＩＤ顕微鏡の高解像化を実現するための実施例を図１０に示す。レーザ光源１５０から出射した光線は偏向手段１５１で向きを変えられてミラー１５３で反射してから、対物レンズ１００をとおり、密着レンズ１０１を通って試料９００に照射される。電流像形成装置３０３は偏向手段１５１をコントロールすると同時に磁界センサアンプ３１４で磁界センサ３６４によって得られた、微弱磁界信号すなわち電流信号を偏向位置にたいする画像として取得する。この構成によって高解像度で走査レーザＳＱＵＩＤ像を取得することが可能となる。この像は全体制御装置３０２を介してユーザインターフェース３０７に表示される。
【００３６】
また、イメージセンサ１５２によって通常の光学観察像を得ることも可能となる。本画像、および、走査レーザＳＱＵＩＤ像は画像解析装置３０１によって解析される。また、広視野画像によってまず観察場所の絞込みを行うために、レンズ１０１を用いないで通常の対物レンズ１００のみによる観察を行ったあと、観察場所を絞り込んで狭視野・高解像で観察を行うために、レンズハンドリング装置３０９を持ち、レンズ１０１の挿入・取り外しが容易にできるようになっている。あるいは、レンズ１０１つき対物レンズ１００と通常の対物レンズ１００をリボルバーで切り替えられるようにしても良い。この切り替えはレンズハンドリング装置３０９に全体制御装置３０２が指令を出すことによって実現される。また、試料の観察位置出し、焦点調整のため、Ｘ、Ｙ、Ｚステージ３５０を持ちこれはステージ制御装置３０５を介して全体制御装置３０２によって制御される。
【００３７】
本発明を発光マップを高解像度で得るために用いた実施図を、図１１に示す。イメージセンサ１５２によって試料９００の光学像を得る。このときに、信号印可装置３０６によって半導体デバイス９００を所定の回路動作状態にセットした状態の画像を得て画像解析装置３０１によって、別の状態における基準画像に対する差画像を求めることによって、回路動作に伴う発光の分布状態が得られる。以上動作は全体制御装置３０２によって制御され、結果はユーザインターフェース３０７に表示される。これによって、高解像度で発光マップの解析が可能となる。特に、発光マップの感度は赤外光を用いたときに高いために、波長の長い赤外光を用いながら、高解像度で試料の内部の発光状態の観察ができる本発明は特に効果が大きい。
【００３８】
また、広視野画像によってまず観察場所の絞込みを行うために、レンズ１０１を用いないで通常の対物レンズ１００のみによる観察を行ったあと、観察場所を絞り込んで狭視野・高解像で観察を行うために、レンズハンドリング装置３０９を持ち、レンズ１０１の挿入・取り外しが容易にできるようになっている。あるいは、レンズ１０１つき対物レンズ１００と通常の対物レンズ１００をリボルバーで切り替えられるようにしても良い。この切り替えはレンズハンドリング装置３０９に全体制御装置３０２が指令を出すことによって実現される。また、試料の観察位置出し、焦点調整のため、Ｘ、Ｙ、Ｚステージ３５０を持ちこれはステージ制御装置３０５を介して全体制御装置３０２によって制御される。
【００３９】
本発明において、レーザ裏面電位観測のプロービングを高解像度で実行するための実施例を、図１２に示す。レーザ光源１５０から出射した光線は偏向手段１５１で向きを変えられてハーフミラー１６３で反射してから、対物レンズ１００をとおり、密着レンズ１０１を通って試料９００に照射される。照射位置制御手段３４０は偏向手段１５１をコントロールすることによって、試料９００内の任意の箇所にビームを照射したり、試料９００を２次元的にスキャンしたりすることが可能である。密着レンズ１０１を用いているので上記ビーム照射およびビームスキャンを高解像度で行うことができる。試料で反射されたレーザ光は密着レンズ１０１をとおり、対物レンズ１００をとおりハーフミラー１６３を通過して、波長選択ミラー１６９によってレーザ光の波長が反射され、光量センサ１６５で検出される。対物レンズ１００の上に四分の一波長板を置いて、１６３を偏向ビームスプリッタ−に置き換えることによって、レーザ光の利用効率と検出信号のＳ／Ｎ比を向上することも可能である。
【００４０】
また、光量センサ１６５によって得られた信号は回路の動作状態によって変化するので、信号観察装置３４１によって観察することで回路の動特性を計測することが可能である。また、試料位置制御装置３４０によってスキャンを行いながら、信号観察装置３４１で光量センサ１６５の信号をスキャン位置の関数として像を得ることによって、レーザ顕微鏡として、働かせることが可能となる。また、試料９００の内部の像は、密着レンズ１０１、対物レンズ１００、ハーフミラー１６３を通して、さらに波長選択ミラー１６９を通過してイメージセンサ１５２に到達する。この像を画像解析装置３０１によって得ることによって、プローブ箇所の画像観測が同時に可能となる。
【００４１】
信号印可装置３０６は半導体デバイス９００に対して信号を与え、このときに上記説明した操作を行い、回路の動作測定をおこなう。また、広視野画像によってまず観察場所の絞込みを行うために、レンズ１０１を用いないで通常の対物レンズ１００のみによる観察を行ったあと、観察場所を絞り込んで狭視野・高解像で観察を行うために、レンズハンドリング装置３０９を持ち、レンズ１０１の挿入・取り外しが容易にできるようになっている。あるいは、レンズ１０１つき対物レンズ１００と通常の対物レンズ１００をリボルバーで切り替えられるようにしても良い。この切り替えはレンズハンドリング装置３０９に全体制御装置３０２が指令を出すことによって実現される。また、試料の観察位置出し、焦点調整のため、Ｘ、Ｙ、Ｚステージ３５０を持ち、これはステージ制御装置３０５を介して全体制御装置３０２によって制御される。
【００４２】
以上、レンズと試料を一体化して含浸レンズとして働くように密着レンズをもちいることにより、試料の内部に像を絞り込むことができるようにした。これによって解像度を向上し、光の波長で定まる解像度よりも微細なパターンの光学的な計測・観察ができる実施例を半導体デバイスに信号を加えた状態で、発光の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する光誘起電流の分布を観測するＯＢＩＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する配線抵抗の変化の分布を観測するＯＢＩＲＣＨ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　ＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＣｈａｎｇｅ）技術、半導体デバイスのトランジスタ部等に、スポット光を集光し反射光の変化を観察することによってトランジスタの動作状態の変化を非接触で観察する技術を例にして説明してきたが、本発明はこれにとどまらず、半導体デバイス内部を光を用いて高解像度で観察・計測する場合に広く適用できることは言うまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、レンズと試料を一体化して含浸レンズとして働くように密着レンズを用いたことにより、試料の内部に像を絞り込むことができるようになった。これによって解像度を向上し、光の波長で定まる解像度よりも微細なパターンの光学的な計測・観察ができるようになった。ここでいう光学的な計測・観察には、半導体デバイスに信号を加えた状態で、発光の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する光誘起電流の分布を観測するＯＢＩＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する配線抵抗の変化の分布を観測するＯＢＩＲＣＨ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｃｈａｎｇｅ）技術、半導体デバイスのトランジスタ部等にスポット光を集光し反射光の変化を観察することによってトランジスタの動作状態の変化を非接触で観察する技術等が含まれる。
【００４４】
また、本発明によれば、屈折率の高い液体を固体レンズと試料の間に浸した状態で用いることにより、固体レンズと試料の間の界面による反射を防いで微細なパターンの光学的な計測・観察が安定してできるという効果も得られる。
【００４５】
また、本発明によれば、平面状で弾性のある回折レンズをもちいてレンズを試料に密着させることにより、固体レンズと試料の間の界面による反射を防いで微細なパターンの光学的な計測・観察が安定してできるという効果も得られる。
【００４６】
また、本発明によれば、固体含浸レンズを脱着する機構を設けたことにより、先ず、固体含浸レンズを外した状態で視野の広い従来の方法で光学的な計測・観察を行い、次に固体含浸レンズを装着した状態で解析個所を絞り込んでから高解像度での光学的な計測・観察を行うことが可能になり、比較的広い視野の中から高解像度での光学的な計測・観察を行う個所を比較的容易に行えるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来法における半導体デバイスの光学的計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図２】本発明にかかわる、半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図３】本発明における回折レンズを用いた場合の半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図４】本発明による、半球状レンズの平坦面を中心部を残して削り落として試料との密着性をよくしたした場合の半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）ともに、本発明による、レンズと試料の密着性と取り外しやすさの両方を得るために、エアーを出し入れする口を設けた構成の半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）ともに、本発明による、対物レンズと試料に密着するレンズとを弾性結合させた構成を用いて半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図７】本発明において、半導体デバイスの表面側から計測・観察を行う場合の半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図８】（ａ）ＯＢＩＲＣＨの原理を示す図、（ｂ）ＯＢＩＣの原理を示す図である。
【図９】本発明による、ＯＢＩＲＣＨおよびＯＢＩＣを高解像度で実行するための装置の概略構成を示す正面図である。
【図１０】本発明による、走査レーザＳＱＵＩＤ顕微鏡の高解像化を実現するための装置の概略構成を示す正面図である。
【図１１】本発明による、発光マップを高解像度で得るための装置の概略構成を示す正面図である。
【図１２】本発明による、レーザ裏面電位観測のプロービングを高解像度で実行するための装置の概略構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１００…対物レンズ、１０１…固体含浸レンズ、１１１…回折型固体含浸レンズ、１１２…表面から観察すための固体含浸レンズ、１２０…エアーパイプ、１３０…弾性支持部、１５０…レーザ光源、１５１…偏向手段、１５２…イメージセンサ、１５３…ハーフミラー、１６３…偏向ビームスプリッタ、１６４…λ／４板、１６５…光量センサ、３０１…画像解析装置、３０２…全体制御装置、３０３…電流像形成装置、３０４…暖流アンプ、３０５…ステージ制御装置、３０６…信号印加装置３０７…端末、３４０…照射位置制御装置、３４１…信号観察装置、３０９…レンズハンドリング装置、９００…半導体デバイス試料、９０１…ドレイン、ソース部、９０２…ゲート部、９０３…配線部、９０４…酸化絶縁膜部、９０６…シリコン基板部
【図１】
2004020404.tif 000003
【図２】
2004020404.tif 000004
【図３】
2004020404.tif 000005
【図４】
2004020404.tif 000006
【図５】
2004020404.tif 000007
【図６】
2004020404.tif 000008
【図７】
2004020404.tif 000009
【図８】
2004020404.tif 000010
【図９】
2004020404.tif 000011
【図１０】
2004020404.tif 000012
【図１１】
2004020404.tif 000013
【図１２】
2004020404.tif 000014