(57)【要約】【課題】  薄膜試料内部の構造の影響を受けない２次電子および透過電子像の構成できる電子顕微鏡を提供する。【解決手段】  電子顕微鏡装置は、電子線を薄片試料に照射した際に、観察用試料を取り付けた試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる、微弱な電流変化を検出するための電流計１４と、電流計から得られた信号と２次電子検出器９または透過電子検出器１０などから得られた信号とを一定の割合で混ぜ合わせることのできる信号処理装置１１を具備している。信号処理装置により補正した信号と偏向信号制御装置の信号とを同期して表示装置に出力する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄片化した部分を有する観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線を照射した際に２次的に発生する信号を検出する２次電子検出器または透過検出器を用いて画像を構成する顕微鏡装置であって、荷電粒子線を前記試料に照射した際に、前記試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる、微弱な電流変化を検出するための電流計と、前記電流計から得られた信号と前記２次電子検出器または透過検出器から得られた信号とを一定の割合で混ぜ合わせることのできる信号処理装置とを備えた顕微鏡装置。
【請求項２】
前記荷電粒子は、電子であり、透過検出器は透過電子を検出するために設けられている請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
前記信号処理装置は、前記電流計により得られた信号から補正係数を決定する機能を有する請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記信号処理装置は、前記補正係数を用いて前記２次電子検出器または透過電子検出器から得られた信号を補正する機能を有する請求項３記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
電子線を任意の領域に走査させる偏向コイルを制御する偏向信号制御装置を備え、前記信号処理装置は、補正後の信号を、前記偏向信号制御装置からの信号と同期させて、表示装置へ出力する機能を有する請求項４記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記電流計は、電子線を試料に照射した際に試料中に生じる１×１０-12以下の電荷量を検出できる請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項７】
前記試料ホルダは、電子線を試料に照射した際に試料中に生じる１×１０-12以下の電荷量を検出できるように、観察用試料を取り付けた試料ホルダの先端とアースに接地した配線とが直接接続される請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項８】
薄片化した部分を有する観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線を照射した際に２次的に発生する信号を信号検出器により検出して画像を構成する顕微鏡画像処理方法であって、荷電粒子線を前記試料に照射した際に、前記試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を信号として検出する工程と、前記信号と前記信号検出器から得られた信号とを一定の割合で混ぜ合わせて補正信号を得る工程と、前記補正信号と前記荷電粒子線を任意の領域に走査させる偏向信号と同期することで、画像を得る工程とを含む顕微鏡画像処理方法。
【請求項９】
前記微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する電荷によるもので、この電荷発生の強弱の情報を、信号検出器で検出した信号に反映させる請求項８記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項１０】
前記荷電粒子は電子である請求項８記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項１１】
信号検出器は、２次電子検出器である請求項８記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項１２】
前記補正信号は、前記微弱な電流変化を検出するための電流計と前記２次電子検出器の信号両方に基づいて決定する補正係数により算出される請求項１１記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項１３】
前記補正信号は、前記電流計から検出された電流強度の信号をもとに、補正すべき画像のアドレスを特定し、特定したアドレスにのみ補正係数を乗算することで得られる請求項１２記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項１４】
薄片化した部分を有する観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線を照射した際に２次的に発生する信号を信号検出器により検出して画像を構成する顕微鏡画像処理方法であって、荷電粒子線を前記試料に照射した際に、前記試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を検出することにより、前記試料中での吸収電荷量を信号として検出する工程と、前記信号から補正係数を算出して、前記信号検出器から得られた信号に乗算することで補正信号を得る工程と、前記補正信号と前記荷電粒子線を任意の領域に走査させる偏向信号と同期することで、画像を得る工程とを含む顕微鏡画像処理方法。
【請求項１５】
前記微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に吸収される電子によるもので、試料の厚さによる吸収電子量の強弱の情報を、信号検出器で検出した信号に反映させる請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項１６】
前記荷電粒子は電子であり、電子線を試料に照射した際に発生する吸収電子を検出する請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項１７】
信号検出器は、透過電子検出器である請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項１８】
前記補正信号は、前記微弱な電流変化を検出するための電流計の信号に基づいて決定する補正係数により算出される請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項１９】
前記補正信号は、補正すべき画像の１画素を基準画素として、この基準画素を電子線が照射したときに前記微弱な電流変化から検出された電流強度の信号を分母に、補正すべき画像のアドレスの各画素を電子線が照射したときに、前記微弱な電流変化から検出された電流強度の信号を分子にして算出された補正係数を、各画素の透過電子信号に乗算して得られる請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項２０】
テーパ形状を有した観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線を照射した際に２次的に発生する信号を検出して画像を構成する顕微鏡画像処理方法であって、前記テーパ形状を有した観察用試料を形成し、前記テーパの成す角から計算により算出される試料厚さを求める第1工程と、荷電粒子線を前記試料に照射した際に、前記試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を信号として測定する第２工程と、前記信号と前記試料厚さから、任意の観察試料の厚さを求める第３工程とを含む顕微鏡画像処理方法。
【請求項２１】
前記微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する電荷によるもので、この電荷発生の強弱の情報から、試料の厚さ情報を求める請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項２２】
前記荷電粒子は、電子を用いている請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項２３】
前記第１工程の前記テーパは、ＦＩＢを用いて成形し、ＦＩＢ画像から前記テーパの成す角を求める請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項２４】
前記第１工程の試料厚さは、ＦＩＢ画像から求めたテーパ角と電子顕微鏡の測長値から、電子線が照射された部分の試料厚さを計算により算出する請求項２３記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項２５】
前記第２工程の前記微弱な電流変化から得られた信号の測定は、電子線の照射条件毎に取得する請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項２６】
前記第３工程の任意の観察試料の膜厚測定は、試料厚さと、電子線の照射条件毎の前記微弱な電流変化から得られた信号に基づいてグラフより求める請求項２４または２５記載の顕微鏡画像処理方法。
【請求項２７】
試料中で吸収される荷電粒子の導電経路をシリコン基板方向に決定するために、検査する半導体素子上の配線部を削りとる試料形成工程と、前記シリコン基板上に接続された個々のコンタクトに荷電粒子を照射し、前記コンタクトから前記シリコン基板へと流れた吸収電流を検出し、個々の前記コンタクトと前記シリコン基板間の相対的な抵抗を求める工程とを包む半導体素子の検査方法。
【請求項２８】
前記吸収電流による微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する電荷によるもので、この電荷発生の強弱の情報から、試料内部の半導体素子の電気的情報を求める請求項２７記載の半導体素子の検査方法。
【請求項２９】
前記荷電粒子は、電子を用いている請求項２７記載の半導体素子の検査方法。
【請求項３０】
前記試料形成工程は、検査する半導体素子上の配線部を削りとる試料形成に、ＦＩＢを用いることで、高精度に電流伝達経路を限定することができる請求項２７記載の半導体素子の検査方法。
【請求項３１】
前記抵抗を求める工程は、近接するコンタクトを電子線で照射した際に、前記吸収電流を近接するコンタクト間で相対的に比較して、不具合コンタクトの位置を求める請求項２７記載の電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法。
【請求項３２】
試料中で吸収される荷電粒子の導電経路を、検査する金属配線パターンに限定するため、前記金属配線の両端を、アースに接地する試料形成工程と、前記金属配線パターンに接続された個々のコンタクトに荷電粒子を照射し、前記コンタクトから前記アースに流れた微弱な電流変化を検出して、個々の前記コンタクトの抵抗を相対的に求める工程とを包む半導体素子の検査方法。
【請求項３３】
前記微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する吸収電流によるもので、この電流の強弱の情報から、試料内部の半導体素子の電気的情報を求める請求項３２記載の半導体素子の検査方法。
【請求項３４】
前記荷電粒子は、電子を用いている請求項３２記載の半導体素子の検査方法。
【請求項３５】
前記試料形成工程は、試料内部の金属パターンの両端に直接、電流計を経てアースに接地した配線を接続することで、吸収電流の導電経路を制限する請求項３３記載の半導体素子の検査方法。
【請求項３６】
前記抵抗を求める工程は、近接するコンタクトを電子線で照射した際に、吸収電流を両端の電流計から検出し、近接するコンタクト間で相対的に比較して、不具合コンタクトの位置を求める請求項３５記載の半導体素子の検査方法。
【請求項３７】
薄片化した部分を有する観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線が走査されたときの吸収電流を検出する半導体素子の検査方法であって、非導電材料の半円リングの片面に、前記半円リング中央を覆った状態で、導電性の金属膜を蒸着し、前記半円リングの金属膜蒸着面に前記試料を接着する前処理工程と、前記半円リングを電流計につながったリード線に接続した板ばねで前記試料ホルダに固定する工程と、前記試料ホルダに固定した後に、前記試料内部の金属配線パターンと、前記半円リングの金属膜とをＦＩＢによる金属膜の選択堆積によって接続する後処理工程とを含む半導体素子の検査方法。
【請求項３８】
前記前処理工程は、非導電材料の半円リングの片面に、分離部分を設けて左右を電気的に絶縁した金属膜蒸着を施す請求項３７記載の半導体素子の検査方法。
【請求項３９】
前記後処理工程は、試料内部に含まれた金属配線パターンの延長上にＦＩＢによる加工穴を設け、この穴から半円リングの金属膜蒸着部までＦＩＢの金属膜の選択堆積を施すことで、吸収電流信号を取り出す請求項３７記載の半導体素子の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子を薄片試料に照射し、２次的に発生する２種類以上の信号により画像を構成するための顕微鏡装置、顕微鏡画像処理方法および半導体素子の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速した電子線を薄片試料に照射し、試料を透過した透過電子の強度から試料に含まれる情報を引き出す透過型電子顕微鏡装置は、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）が一般的だったが、近年、電子レンズにより絞った電子線を試料上で走査するＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)方式で、かつ薄片試料を用いるＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscope）が多用されるようになっている。ＳＴＥＭはＴＥＭより簡便な操作で使用できることから急速に市場を拡大している。
【０００３】
一方で、これらの電子顕微鏡装置での観察対象である材料およびデバイス分野は、急速に微細化または微小化が進み、単純にこれらの試料を薄片化するだけでは、明瞭な画像を得ることができなくなってきた。ＦＩＢ(Focused Ion Beam)による特定部位の薄片化という試料作成技術も発達しているが、更なる観察材料の微細化に対応していくには不充分である。従って、透過電子を用いて画像を得るだけでは、微小な構造が充分に捉えきれなくなっているため、近年の電子顕微鏡装置には、透過電子に加えて、広角散乱電子、２次電子や反射電子など、試料に電子線を照射した際に、２次的に発生する様々な信号により画像を構成する機能を備えていることが多い。特に、２次電子像は、透過電子像よりも薄片試料の加工位置ずれなどの影響を受けにくいという特徴を有する。
【０００４】
そこで、従来では、例えば、非特許文献１に示されるように、ＦＩＢによる薄片化の際に、加工位置を正確に判断するための手段として、ＳＴＥＭによるＳＥＭ観察という方法が一般的に用いられている。
【０００５】
以下、図面を参照しながら、電子顕微鏡を用いたシリコン半導体の薄片試料での２次電子像の構成方法について説明する。図２４は、従来の電子顕微鏡の装置の構成を示す模式断面図である。電子線２を発生させる電子銃１と電子線２を収束する電子レンズ３は約１×１０-7Ｐａの高真空容器内に、２次電子検出器９および電子線２を任意の領域に走査させる偏向コイル８、電子レンズ４、試料ホルダ５の先端に固定された試料６、透過電子検出器１０が約１×１０-5Ｐａの真空容器内に図２４のように配置されている。偏向コイル８は偏向信号制御装置７によって制御され、信号同期装置により、２次電子検出器９または透過電子検出器１０の信号と同期され、表示装置１２へ信号が出力されるように構成されている。
【０００６】
図２５（ａ）〜図２５（ｃ）は、従来の２次電子像の構成方法において、試料形態を表す斜方投影図である。
【０００７】
図２５（ａ）を参照すると、ダイシングソーなどによって試料の全長を３ｍｍ以下に切り出したシリコン半導体の一部をＦＩＢ装置によって薄片試料厚さ１５を約０．１μｍに成形している。ＦＩＢ加工に際しては、電子線入射および透過方向に対して遮蔽する部分がないように薄片試料部を形成する必要がある。
【０００８】
図２５（ｂ）を参照すると、図２５（ａ）の薄片試料部を拡大した図であり、シリコン半導体のシリコン基板１６上に形成されたトランジスタ１７を電気的に動作させるために金属配線が形成されている。金属配線１８はプラグ１９により金属配線２０と電気的に導通しているが、金属配線２１は、薄片試料厚さ１５の内部にプラグがないため、金属配線２２とは導通していない。これらの金属配線やプラグなどが層間絶縁膜２３中に形成されている。
【０００９】
図２５（ｃ）を参照すると、薄片試料上を電子線２で走査する時の電子線と薄片試料との位置関係を表す図である。電子線２は、横方向と縦方向とで決まった点数を照射し、その点数とアドレスは、電子顕微鏡の装置で得られる画像の画素数とアドレスに一致し、縦横比が同じ比率であれば画素数の増減ができる。横６４０画素、縦４８０画素とした場合、電子線照射枠１３０内を横６４０列、縦４８０行、合計３０７２００角に分割して順番に電子線２を照射していることになる。ここでは簡単にするため、例えば、縦Ｙ行目の1行分を走査線１３１として、この走査線１３１上を電子線２が走査した場合について説明する。
【００１０】
図２６は、従来の２次電子像の構成方法において、走査線１３１と２次電子検出器９の検出強度との関係を説明するためのグラフである。横軸は走査線１３１の列に相当する６４０画素分の長さを示しており、縦軸は走査線１３１上を電子線２が走査したときの２次電子検出器９の検出強度を示している。層間絶縁膜２３上を電子線２が走査した領域３１での２次電子検出器９の強度は１３２、金属配線１８上を電子線２が走査した領域３２での２次電子検出器９の強度が１３３、金属配線２１上を電子線２が走査した領域３３の２次電子検出器９の強度が１３４で示される。これらの２次電子強度に対応した色情報が、予め設定された色調情報のグレイスケール２５６階調の適合テーブルから自動的に決定される。
【００１１】
図２７は、従来の２次電子像の構成方法において、電子線照射枠１３０に対し、縦Ｙ行目の走査線１３１の行に、２次電子強度に対応した色情報を挿入したときの画像の構成方法を説明する図である。層間絶縁膜２３上を電子線２が走査した領域３１での２次電子検出器９の強度１３２に対応する色情報を、Ｙ行目の領域３１に相当する列に挿入する。同様に、金属配線１８上を電子線２が走査した領域３２での２次電子強度が１３３、金属配線２１上を電子線２が走査した領域３３の２次電子強度が１３４、それぞれに対応する色情報を、Ｙ行目の領域３２および３３に相当する列の画素に挿入する。このようにして、全ての画素に２次電子検出器の検出強度に対応する色情報を挿入すると、２次電子像が構成される。
【非特許文献１】松本  弘明“日本電子顕微鏡第５４回学術講演会発表予稿集”（１９９９）、Ｐ１４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、前述した従来の構成では、２次電子検出器９で検出された信号のみから、画素に挿入する色情報を決定しているため、必ずしも、正確な情報を示していない。例えば、金属配線１８と金属配線２１とでは、電子線が照射されることで電位差が生じており、その結果、同じ材質の金属配線でありながら２次電子の発生効率に差が生じ、異なる強度の信号として２次電子検出器９に検出されることになる。このとき、従来の画像の構成方法では、同じ材質の金属配線で、濃淡の異なる画像となり、明るい金属配線側に全体の色調を合わせると、片方は暗くなりすぎ、逆に、暗い金属配線側に全体の色調を合わせると、片方は明るくなりすぎる画像となり、画像の濃淡を調整だけでは、適切な色調の画像を構成できないという問題を有していた。
【００１３】
したがって、この発明の目的は、電子などの荷電粒子を薄片試料に照射した際に、２次的に発生する２次電子など２種類以上の信号により、試料中に含まれる材質変化や電位による画像の濃淡のばらつきを抑えた、高品質の画像を構成するための顕微鏡装置、顕微鏡画像処理方法および半導体素子の検査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載の顕微鏡装置は、薄片化した部分を有する観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線を照射した際に２次的に発生する信号を検出する２次電子検出器または透過検出器を用いて画像を構成する顕微鏡装置であって、荷電粒子線を前記試料に照射した際に、前記試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる、微弱な電流変化を検出するための電流計と、前記電流計から得られた信号と前記２次電子検出器または透過検出器から得られた信号とを一定の割合で混ぜ合わせることのできる信号処理装置とを備えた。
【００１５】
請求項２記載の顕微鏡装置は、請求項１記載の顕微鏡装置において、前記荷電粒子は、電子であり、透過検出器は透過電子を検出するために設けられている。
【００１６】
請求項３記載の顕微鏡装置は、請求項１記載の顕微鏡装置において、前記信号処理装置は、前記電流計により得られた信号から補正係数を決定する機能を有する。
【００１７】
請求項４記載の顕微鏡装置は、請求項３記載の顕微鏡装置において、前記信号処理装置は、前記補正係数を用いて前記２次電子検出器または透過電子検出器から得られた信号を補正する機能を有する。
【００１８】
請求項５記載の顕微鏡装置は、請求項４記載の顕微鏡装置において、電子線を任意の領域に走査させる偏向コイルを制御する偏向信号制御装置を備え、前記信号処理装置は、補正後の信号を、前記偏向信号制御装置からの信号と同期させて、表示装置へ出力する機能を有する。
【００１９】
請求項６記載の顕微鏡装置は、請求項１記載の顕微鏡装置において、前記電流計は、電子線を試料に照射した際に試料中に生じる１×１０-12以下の電荷量を検出できる。
【００２０】
請求項７記載の顕微鏡装置は、請求項１記載の顕微鏡装置において、前記試料ホルダは、電子線を試料に照射した際に試料中に生じる１×１０-12以下の電荷量を検出できるように、観察用試料を取り付けた試料ホルダの先端とアースに接地した配線とが直接接続される。
【００２１】
請求項８記載の顕微鏡画像処理方法は、薄片化した部分を有する観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線を照射した際に２次的に発生する信号を信号検出器により検出して画像を構成する顕微鏡画像処理方法であって、荷電粒子線を前記試料に照射した際に、前記試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を信号として検出する工程と、前記信号と前記信号検出器から得られた信号とを一定の割合で混ぜ合わせて補正信号を得る工程と、前記補正信号と前記荷電粒子線を任意の領域に走査させる偏向信号と同期することで、画像を得る工程とを含む。
【００２２】
請求項９記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項８記載の顕微鏡画像処理方法において、前記微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する電荷によるもので、この電荷発生の強弱の情報を、信号検出器で検出した信号に反映させる。
【００２３】
請求項１０記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項８記載の顕微鏡画像処理方法において、前記荷電粒子は電子である。
【００２４】
請求項１１記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項８記載の顕微鏡画像処理方法において、信号検出器は、２次電子検出器である。
【００２５】
請求項１２記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項１１記載の顕微鏡画像処理方法において、前記補正信号は、前記微弱な電流変化を検出するための電流計と前記２次電子検出器の信号両方に基づいて決定する補正係数により算出される。
【００２６】
請求項１３記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項１２記載の顕微鏡画像処理方法において、前記補正信号は、前記電流計から検出された電流強度の信号をもとに、補正すべき画像のアドレスを特定し、特定したアドレスにのみ補正係数を乗算することで得られる。
【００２７】
請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法は、薄片化した部分を有する観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線を照射した際に２次的に発生する信号を信号検出器により検出して画像を構成する顕微鏡画像処理方法であって、荷電粒子線を前記試料に照射した際に、前記試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を検出することにより、前記試料中での吸収電荷量を信号として検出する工程と、前記信号から補正係数を算出して、前記信号検出器から得られた信号に乗算することで補正信号を得る工程と、前記補正信号と前記荷電粒子線を任意の領域に走査させる偏向信号と同期することで、画像を得る工程とを含む。
【００２８】
請求項１５記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法において、前記微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に吸収される電子によるもので、試料の厚さによる吸収電子量の強弱の情報を、信号検出器で検出した信号に反映させる。
【００２９】
請求項１６記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法において、前記荷電粒子は電子であり、電子線を試料に照射した際に発生する吸収電子を検出する。
【００３０】
請求項１７記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法において、信号検出器は、透過電子検出器である。
【００３１】
請求項１８記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法において、前記補正信号は、前記微弱な電流変化を検出するための電流計の信号に基づいて決定する補正係数により算出される。
【００３２】
請求項１９記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法において、前記補正信号は、補正すべき画像の１画素を基準画素として、この基準画素を電子線が照射したときに前記微弱な電流変化から検出された電流強度の信号を分母に、補正すべき画像のアドレスの各画素を電子線が照射したときに、前記微弱な電流変化から検出された電流強度の信号を分子にして算出された補正係数を、各画素の透過電子信号に乗算して得られる。
【００３３】
請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法は、テーパ形状を有した観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線を照射した際に２次的に発生する信号を検出して画像を構成する顕微鏡画像処理方法であって、前記テーパ形状を有した観察用試料を形成し、前記テーパの成す角から計算により算出される試料厚さを求める第1工程と、荷電粒子線を前記試料に照射した際に、前記試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を信号として測定する第２工程と、前記信号と前記試料厚さから、任意の観察試料の厚さを求める第３工程とを含む。
【００３４】
請求項２１記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法において、前記微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する電荷によるもので、この電荷発生の強弱の情報から、試料の厚さ情報を求める。
【００３５】
請求項２２記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法において、前記荷電粒子は、電子を用いている。
【００３６】
請求項２３記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法において、前記第１工程の前記テーパは、ＦＩＢを用いて成形し、ＦＩＢ画像から前記テーパの成す角を求める。
【００３７】
請求項２４記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項２３記載の顕微鏡画像処理方法において、前記第１工程の試料厚さは、ＦＩＢ画像から求めたテーパ角と電子顕微鏡の測長値から、電子線が照射された部分の試料厚さを計算により算出する。
【００３８】
請求項２５記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法において、前記第２工程の前記微弱な電流変化から得られた信号の測定は、電子線の照射条件毎に取得する。
【００３９】
請求項２６記載の顕微鏡画像処理方法は、請求項２４または２５記載の顕微鏡画像処理方法において、前記第３工程の任意の観察試料の膜厚測定は、試料厚さと、電子線の照射条件毎の前記微弱な電流変化から得られた信号に基づいてグラフより求める。
【００４０】
請求項２７記載の半導体素子の検査方法は、試料中で吸収される荷電粒子の導電経路をシリコン基板方向に決定するために、検査する半導体素子上の配線部を削りとる試料形成工程と、前記シリコン基板上に接続された個々のコンタクトに荷電粒子を照射し、前記コンタクトから前記シリコン基板へと流れた吸収電流を検出し、個々の前記コンタクトと前記シリコン基板間の相対的な抵抗を求める工程とを包む。
【００４１】
請求項２８記載の半導体素子の検査方法は、請求項２７記載の半導体素子の検査方法において、前記吸収電流による微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する電荷によるもので、この電荷発生の強弱の情報から、試料内部の半導体素子の電気的情報を求める。
【００４２】
請求項２９記載の半導体素子の検査方法は、請求項２７記載の半導体素子の検査方法において、前記荷電粒子は、電子を用いている。
【００４３】
請求項３０記載の半導体素子の検査方法は、請求項２７記載の半導体素子の検査方法において、前記試料形成工程は、検査する半導体素子上の配線部を削りとる試料形成に、ＦＩＢを用いることで、高精度に電流伝達経路を限定することができる。
【００４４】
請求項３１記載の半導体素子の検査方法は、請求項２７記載の半導体素子の検査方法において、前記抵抗を求める工程は、近接するコンタクトを電子線で照射した際に、前記吸収電流を近接するコンタクト間で相対的に比較して、不具合コンタクトの位置を求める。
【００４５】
請求項３２記載の半導体素子の検査方法は、試料中で吸収される荷電粒子の導電経路を、検査する金属配線パターンに限定するため、前記金属配線の両端を、アースに接地する試料形成工程と、前記金属配線パターンに接続された個々のコンタクトに荷電粒子を照射し、前記コンタクトから前記アースに流れた微弱な電流変化を検出して、個々の前記コンタクトの抵抗を相対的に求める工程とを包む。
【００４６】
請求項３３記載の半導体素子の検査方法は、請求項３２記載の半導体素子の検査方法において、前記微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する吸収電流によるもので、この電流の強弱の情報から、試料内部の半導体素子の電気的情報を求める。
【００４７】
請求項３４記載の半導体素子の検査方法は、請求項３２記載の半導体素子の検査方法において、前記荷電粒子は、電子を用いている。
【００４８】
請求項３５記載の半導体素子の検査方法は、請求項３３記載の半導体素子の検査方法において、前記試料形成工程は、試料内部の金属パターンの両端に直接、電流計を経てアースに接地した配線を接続することで、吸収電流の導電経路を制限する。
【００４９】
請求項３６記載の半導体素子の検査方法は、請求項３５記載の半導体素子の検査方法において、前記抵抗を求める工程は、近接するコンタクトを電子線で照射した際に、吸収電流を両端の電流計から検出し、近接するコンタクト間で相対的に比較して、不具合コンタクトの位置を求める。
【００５０】
請求項３７記載の半導体素子の検査方法は、薄片化した部分を有する観察用試料を試料ホルダに取り付け、前記試料に荷電粒子線が走査されたときの吸収電流を検出する半導体素子の検査方法であって、非導電材料の半円リングの片面に、前記半円リング中央を覆った状態で、導電性の金属膜を蒸着し、前記半円リングの金属膜蒸着面に前記試料を接着する前処理工程と、前記半円リングを電流計につながったリード線に接続した板ばねで前記試料ホルダに固定する工程と、前記試料ホルダに固定した後に、前記試料内部の金属配線パターンと、前記半円リングの金属膜とをＦＩＢによる金属膜の選択堆積によって接続する後処理工程とを含む。
【００５１】
請求項３８記載の半導体素子の検査方法は、請求項３７記載の半導体素子の検査方法において、前記前処理工程は、非導電材料の半円リングの片面に、分離部分を設けて左右を電気的に絶縁した金属膜蒸着を施す。
【００５２】
請求項３９記載の半導体素子の検査方法は、請求項３７記載の半導体素子の検査方法において、前記後処理工程は、試料内部に含まれた金属配線パターンの延長上にＦＩＢによる加工穴を設け、この穴から半円リングの金属膜蒸着部までＦＩＢの金属膜の選択堆積を施すことで、吸収電流信号を取り出す。
【発明の効果】
【００５３】
この発明の請求項１記載の顕微鏡装置によれば、荷電粒子線を試料に照射した際に、試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる、微弱な電流変化を検出するための電流計と、電流計から得られた信号と２次電子検出器または透過検出器から得られた信号とを一定の割合で混ぜ合わせることのできる信号処理装置とを備えたので、荷電粒子線を試料に照射し、２次的に発生する２種類以上の信号により、試料中に含まれる材質変化や電位による画像の濃淡のばらつきを抑えた、高品質の画像を構成することができる。
【００５４】
すなわち、観察用試料を取り付けた試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる電流変化を検出するための電流計により、電子線が試料を照射した際に試料中に生じる電荷量を検出できる。このため、この電流計より検出した信号と２次電子検出器または透過電子検出器などから得られた信号とを信号処理装置により一定の割合で混ぜ合わせることで、２次元で表示可能な画像が構成される。従って、電子線の走査した領域に対応した２次電子像および透過電子像を、薄片試料とアースに接地した配線との間に流れた電流変化により補正している。その結果、試料中に含まれる材質変化や電位による画像の濃淡のばらつきを抑えた、高品質の画像を得ることができる。
【００５５】
請求項２では、荷電粒子は、電子であり、透過検出器は透過電子を検出するために設けられているので好ましい構成である。
【００５６】
請求項３では、信号処理装置は、電流計により得られた信号から補正係数を決定する機能を有するので好ましい構成である。
【００５７】
請求項４では、信号処理装置は、補正係数を用いて２次電子検出器または透過電子検出器から得られた信号を補正する機能を有するので好ましい構成である。この場合、電流計より検出した信号と２次電子検出器または透過電子検出器から得られた信号とを信号処理装置により一定の割合で混ぜ合わせることで補正信号を得て、２次元で表示可能な画像が構成される。
【００５８】
請求項５では、電子線を任意の領域に走査させる偏向コイルを制御する偏向信号制御装置を備え、信号処理装置は、補正後の信号を、偏向信号制御装置からの信号と同期させて、表示装置へ出力する機能を有するので好ましい構成である。この場合、電流計より検出した信号と２次電子検出器または透過電子検出器などから得られた信号とを信号処理装置により一定の割合で混ぜ合わせることで補正信号を得て、電子線の偏向信号と同期することにより、２次元で表示可能な画像が構成される。
【００５９】
請求項６では、電流計は、電子線を試料に照射した際に試料中に生じる１×１０-12以下の電荷量を検出できるので好ましい構成である。
【００６０】
請求項７では、試料ホルダは、電子線を試料に照射した際に試料中に生じる１×１０-12以下の電荷量を検出できるように、観察用試料を取り付けた試料ホルダの先端とアースに接地した配線とが直接接続されるので好ましい構成である。
【００６１】
この発明の請求項８記載の顕微鏡画像処理方法によれば、荷電粒子線を試料に照射した際に、試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を信号として検出する工程と、前記信号と信号検出器から得られた信号とを一定の割合で混ぜ合わせて補正信号を得る工程と、補正信号と荷電粒子線を任意の領域に走査させる偏向信号と同期することで、画像を得る工程とを含むので、２次元で表示可能な画像が構成される。従って、電子線の走査した領域に対応した２次電子像を薄片試料とアースに接地した配線との間に流れた電流変化により補正している。その結果、試料中に含まれる材質変化や電位による２次電子像の濃淡のばらつきを抑えた、高品質の画像を得ることができる。
【００６２】
請求項９では、微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する電荷によるもので、この電荷発生の強弱の情報を、信号検出器で検出した信号に反映させるので好ましい構成である。
【００６３】
請求項１０では、荷電粒子は電子であるので好ましい構成である。
【００６４】
請求項１１では、信号検出器は、２次電子検出器であるので好ましい構成である。
【００６５】
請求項１２では、補正信号は、微弱な電流変化を検出するための電流計と２次電子検出器の信号両方に基づいて決定する補正係数により算出されるので好ましい構成である。
【００６６】
請求項１３では、補正信号は、電流計から検出された電流強度の信号をもとに、補正すべき画像のアドレスを特定し、特定したアドレスにのみ補正係数を乗算することで得られるので好ましい構成である。
【００６７】
この発明の請求項１４記載の顕微鏡画像処理方法によれば、荷電粒子線を試料に照射した際に、試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる電流変化を検出することにより、試料中での吸収電荷量を信号として検出する工程と、前記信号から補正係数を算出して、信号検出器から得られた信号に乗算することで補正信号を得る工程と、補正信号と荷電粒子線を任意の領域に走査させる偏向信号と同期することで、画像を得る工程とを含むので、２次元で表示可能な画像が構成される。従って、電子線の走査した領域に対応した透過電子像を薄片試料の厚さに対応した吸収電流より補正している。その結果、試料中に含まれる試料厚さの変化などによる透過電子像の濃淡のばらつきを抑えた、高品質の画像を得ることができる。
【００６８】
請求項１５では、微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に吸収される電子によるもので、試料の厚さによる吸収電子量の強弱の情報を、信号検出器で検出した信号に反映させるので好ましい構成である。
【００６９】
請求項１６では、荷電粒子は電子であり、電子線を試料に照射した際に発生する吸収電子を検出するので好ましい構成である。
【００７０】
請求項１７では、信号検出器は、透過電子検出器であるので好ましい構成である。
【００７１】
請求項１８では、補正信号は、微弱な電流変化を検出するための電流計の信号に基づいて決定する補正係数により算出されるので好ましい構成である。
【００７２】
請求項１９では、補正信号は、補正すべき画像の１画素を基準画素として、この基準画素を電子線が照射したときに微弱な電流変化から検出された電流強度の信号を分母に、補正すべき画像のアドレスの各画素を電子線が照射したときに、微弱な電流変化から検出された電流強度の信号を分子にして算出された補正係数を、各画素の透過電子信号に乗算して得られるので好ましい構成である。
【００７３】
この発明の請求項２０記載の顕微鏡画像処理方法によれば、テーパ形状を有した観察用試料を形成し、テーパの成す角から計算により算出される試料厚さを求める第1工程と、荷電粒子線を試料に照射した際に、試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を信号として測定する第２工程と、信号と試料厚さから、任意の観察試料の厚さを求める第３工程とを含むので、荷電粒子線を試料に照射した際に生じる電荷量と試料厚さとの相関関係を示すグラフを、電子線照射条件別に作成することができ、照射領域の試料厚さを電流計により検出された電流から正確に知ることができる。
【００７４】
請求項２１では、微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する電荷によるもので、この電荷発生の強弱の情報から、試料の厚さ情報を求めるので好ましい構成である。
【００７５】
請求項２２では、荷電粒子は、電子を用いているので好ましい構成である。
【００７６】
請求項２３では、第１工程のテーパは、ＦＩＢを用いて成形し、ＦＩＢ画像からテーパの成す角を求めるので好ましい構成である。
【００７７】
請求項２４では、第１工程の試料厚さは、ＦＩＢ画像から求めたテーパ角と電子顕微鏡の測長値から、電子線が照射された部分の試料厚さを計算により算出するので好ましい構成である。
【００７８】
請求項２５では、第２工程の前記微弱な電流変化から得られた信号の測定は、電子線の照射条件毎に取得するので好ましい構成である。
【００７９】
請求項２６では、第３工程の任意の観察試料の膜厚測定は、試料厚さと、電子線の照射条件毎の微弱な電流変化から得られた信号に基づいてグラフより求めるので好ましい構成である。
【００８０】
この発明の請求項２７記載の半導体素子の検査方法によれば、試料中で吸収される荷電粒子の導電経路をシリコン基板方向に決定するために、検査する半導体素子上の配線部を削りとる試料形成することで、コンタクトからシリコン基板へと流れた吸収電流を検出し、近接する個々のコンタクトとシリコン基板間の相対的な抵抗を求めることができる。
【００８１】
請求項２８では、吸収電流による微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する電荷によるもので、この電荷発生の強弱の情報から、試料内部の半導体素子の電気的情報を求めるので好ましい構成である。
【００８２】
請求項２９では、荷電粒子は、電子を用いているので好ましい構成である。
【００８３】
請求項３０では、試料形成工程は、検査する半導体素子上の配線部を削りとる試料形成に、ＦＩＢを用いることで、高精度に電流伝達経路を限定することができるので好ましい構成である。
【００８４】
請求項３１では、抵抗を求める工程は、近接するコンタクトを電子線で照射した際に、吸収電流を近接するコンタクト間で相対的に比較して、不具合コンタクトの位置を求めるので好ましい構成である。
【００８５】
この発明の請求項３２記載の半導体素子の検査方法によれば、試料中で吸収される電子の導電経路を、検査する金属配線パターンに限定するため、金属配線パターンの両端を、アースに接地するように試料形成し、コンタクトからアースに流れた微弱な電流変化を検出して、個々のコンタクトの抵抗を相対的に求めることができる。
【００８６】
請求項３３では、微弱な電流変化が、荷電粒子が試料に照射された際に試料内部に発生する吸収電流によるもので、この電流の強弱の情報から、試料内部の半導体素子の電気的情報を求めるので好ましい構成である。
【００８７】
請求項３４では、荷電粒子は、電子を用いているので好ましい構成である。
【００８８】
請求項３５では、試料形成工程は、試料内部の金属パターンの両端に直接、電流計を経てアースに接地した配線を接続することで、吸収電流の導電経路を制限するので好ましい構成である。
【００８９】
請求項３６では、抵抗を求める工程は、近接するコンタクトを電子線で照射した際に、吸収電流を両端の電流計から検出し、近接するコンタクト間で相対的に比較して、不具合コンタクトの位置を求めるので好ましい構成である。
【００９０】
この発明の請求項３７記載の半導体素子の検査方法によれば、非導電材料の半円リングの片面に、半円リング中央を覆った状態で、導電性の金属膜を蒸着し、半円リングの金属膜蒸着面に試料を接着する前処理工程と、半円リングを電流計につながったリード線に接続した板ばねで試料ホルダに固定する工程と、試料ホルダに固定した後に、試料内部の金属配線パターンと、半円リングの金属膜とをＦＩＢによる金属膜の選択堆積によって接続する後処理工程とを含むので、検査対象の金属配線パターンに吸収された電流を、電流計で効率良く検出できる。
【００９１】
請求項３８では、前処理工程は、非導電材料の半円リングの片面に、分離部分を設けて左右を電気的に絶縁した金属膜蒸着を施すので好ましい構成である。
【００９２】
請求項３９では、後処理工程は、試料内部に含まれた金属配線パターンの延長上にＦＩＢによる加工穴を設け、この穴から半円リングの金属膜蒸着部までＦＩＢの金属膜の選択堆積を施すことで、吸収電流信号を取り出すので、吸収電流信号を効率良く取り出すことができ、好ましい構成である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９３】
この発明の第１の実施の形態を図１に基づいて説明する。
【００９４】
図１は、本発明の実施の形態１に係る電子顕微鏡の装置の構成を示す模式断面図である。
【００９５】
図１に示すように、薄片化した部分を有する観察用試料を試料ホルダ５に取り付け、試料に電子線を照射した際に２次的に発生する信号を検出する２次電子検出器９または透過検出器１０を用いて画像を構成する顕微鏡装置であって、電子線を試料に照射した際に、試料ホルダ５とアースに接地した配線との間に流れる、微弱な電流変化を検出するための電流計１４と、電流計１４から得られた信号と２次電子検出器９または透過検出器１０から得られた信号とを一定の割合で混ぜ合わせることのできる信号処理装置１１とを備えている。
【００９６】
この場合、電子線２を発生させる電子銃１と電子線２を収束する電子レンズ３は約１×１０-7Ｐａの高真空容器内に、２次電子検出器９および電子線２を任意の領域に走査させる偏向コイル８、電子レンズ４、試料ホルダ５の先端に固定された試料６、透過電子検出器１０が約１×１０-5Ｐａの真空容器内に図１のように配置されている。偏向コイル８は偏向信号制御装置７によって制御され、信号処理装置１１には、２次電子検出器９と透過電子検出器１０の信号が入力されると同時に、試料６とアース間の電流計１４と偏向信号制御装置７からの信号も信号処理装置１１へ入力され、信号処理装置１１から表示装置１２へ信号が出力されるように構成されている。
【００９７】
このような電子顕微鏡の装置によって、画像を構成するための動作を説明する。電子銃１より照射される電子線２を電子レンズ３によって収束し、さらに電子レンズ４によって絞られた電子線２を、試料ホルダ５の先端に固定された試料６上に偏向コイル８により走査しながら照射している。このとき、試料から発生した２次電子を２次電子検出器９で、試料中を透過した透過電子を透過電子検出器１０で検出し、信号処理装置１１へ信号を伝達する。一方、電子線２が照射されることによって、試料中に生じた電荷による一時的な電位差は、アースへ接地された配線１３により平衡状態へと移行するため、配線１３を通して電荷が運ばれる。このとき運ばれる電荷量を電流変化として電流計１４により検出し、信号を信号処理装置１１へ伝達する。信号処理装置１１では、電流計１４により検出された信号と、２次電子検出器９で検出した信号または透過電子検出器１０で検出した信号と一定の割合で混ぜ合わせた補正信号を作り、偏向信号制御装置７からの信号と同期して表示装置１２へ出力することで画像を構成する。
【００９８】
なお上記実施形態では、電子線を試料に照射する電子顕微鏡の装置としたが、本発明はこれに限定されない。試料６に照射する荷電粒子は、照射することによって試料中に電荷が生じるもので、偏向コイルによって試料を走査できるものであればよい。
【００９９】
以上のように実施の形態１によれば、観察用試料を取り付けた試料ホルダ５とアースに接地した配線１３との間に流れる微弱な電流変化を検出するための電流計１４によって、電子線２が試料６を照射した際に試料中に生じる電荷量を検出できる。このため、この電流計１４により検出された信号と２次電子検出器９または透過電子検出器１０などから検出された信号とを信号処理装置１１により一定の割合で混ぜ合わせ、電子線２の偏向信号と同期することにより、２次元で表示可能な画像が構成できる。従って、電子線２の走査した領域に対応した２次電子および透過電子の信号を、試料中に生じた電荷量により補正している。その結果、試料中に含まれる材質変化や電位による画像の濃淡のばらつきを抑えた、高品質の画像を得ることができる。
【０１００】
この発明の第２の実施の形態を図２〜図４に基づいて説明する。
【０１０１】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る電子顕微鏡の２次電子像の構成方法において、試料形態を表す斜方投影図である。試料６は、実施の形態１において前述した電流計１４を備えた電子顕微鏡の装置の試料ホルダ５先端に固定されている。
【０１０２】
図２（ａ）を参照すると、ダイシングソーなどによって試料の全長を３ｍｍ以下に切り出されたシリコン半導体の一部をＦＩＢ（Focused Ion Beam以下ＦＩＢ）装置によって薄片試料厚さ１５を約０．１μｍに成形している。ＦＩＢ加工に際しては、電子線入射および透過方向に対して遮蔽する部分がないように薄片試料部を形成する必要がある。
【０１０３】
図２（ｂ）を参照すると、図２（ａ）の薄片試料部を拡大した図であり、シリコン半導体のシリコン基板１６上に形成されたトランジスタ１７を電気的に動作させるために金属配線が形成されている。金属配線１８はプラグ１９により金属配線２０と電気的に導通しているが、金属配線２１は、薄片試料部の内部にプラグがないため、金属配線２２とは導通していない。これらの金属配線やプラグなどが層間絶縁膜２３中に形成されている。
【０１０４】
図２（ｃ）を参照すると、図２（ｂ）の薄片試料部を電子線２で走査する時の電子線２と薄片試料部との位置関係を表す図である。電子線２は、走査線２４上を図２（ｃ）の左から右へと走査している。走査線２４上の薄片試料の内部には、金属配線１８と金属配線２１とがありこれらを層間絶縁膜２３が囲うような形態となっている。
【０１０５】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る電子顕微鏡の２次電子像の構成方法において、走査線２４上を電子線２が走査した場合の、薄片試料部の内部に含まれる構造と電子線２および電流計１４との関係を説明する模式断面図である。
【０１０６】
図３（ａ）を参照すると、走査線２４の薄片試料部の内部には、金属配線１８と金属配線２１とがあり、これらを層間絶縁膜２３が囲うような形態となっており、電子線２が層間絶縁膜２３上を走査したとき、電子線２が照射されている走査点２５から２次電子２６と、電子線２によって走査点２５の薄片試料中からはじきだされた電子２７が発生する。このとき、電子線２の走査点２５はプラスに帯電するため、この帯電を中和するためにアースに接続された配線１３から電子が供給されるが、層間絶縁膜２３上の走査点２５では電気的抵抗が高く、アースからの電子の供給は充分に行われないため、電流計１４はほとんど電流を検出しない。そのため、層間絶縁膜２３を電子線２が走査したとき、走査点２５はプラスに帯電したままになるので、２次電子２６が発生しても、そのほとんどが帯電の中和に消費され、薄片試料から２次電子２６は離脱しにくくなる。即ち、層間絶縁膜２３からの２次電子２６の発生効率が低下する。
【０１０７】
図３（ｂ）を参照すると、電子線２の走査点２５は金属配線１８上にあり、走査点２５からは２次電子２６と、薄片試料中からはじきだされた電子２７が発生して、走査点２５はプラスに帯電する。しかし、金属配線１８はプラグ１９により金属配線２０に導通しているため電気的抵抗は低く、アースに接続された配線１３から電子が供給されて走査点２５での帯電は中和されるため、電流計１４は電流を検出する。このため、金属配線１８上を電子線２が走査しても、走査点２５は帯電しないため、２次電子２６の発生効率は低下しない。
【０１０８】
図３（ｃ）を参照すると、電子線２の走査点２５は金属配線２１上にあり、走査点２５からは２次電子２６と、薄片試料中からはじきだされた電子２７が発生して、走査点２５はプラスに帯電するが、金属配線２１はプラグがなく、金属配線２２とは導通していないため、帯電を中和するためのアースとの電気的抵抗は高く、アースに接続された配線１３からの電子の供給は充分に行われないことから、電流計１４は電流を検出しない。このため、金属配線２１上を電子線２が走査すると、走査点２５はプラスに帯電するため、２次電子２６の発生効率は低下する。
【０１０９】
図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る電子顕微鏡の２次電子像の構成方法において、走査線２４と電流計１４の検出強度または２次電子検出器９の検出強度との関係を説明するためのグラフである。横軸は走査線２４の走査距離を示しており、縦軸は走査線２４上を電子線２が走査したときの電流計１４の検出強度または２次電子検出器９の検出強度を示している。
【０１１０】
図４（ａ）を参照すると、横軸は走査線２４の走査距離を示しており、縦軸は走査線２４上を電子線２が走査したときの電流計１４の検出強度を示している。層間絶縁膜２３上を電子線２が走査した領域２８については、走査点２５はプラスに帯電しているが、非導通であるため、電流計１４には極少量の電流しか検出されない。しかし、金属配線１８上を電子線２が走査した領域２９は、導通しているため、帯電を中和する際に電流計１４に電流が検出される。金属配線２１上を電子線２が走査した領域３０は、金属配線１８と同じ材料であるが、非導通であるため、電流計１４には、極少量の電流しか検出されない。
【０１１１】
図４（ｂ）を参照すると、横軸は走査線２４の走査距離を示しており、縦軸は走査線２４上を電子線２が走査したときの２次電子検出器９の検出強度を示している。層間絶縁膜２３上を電子線２が走査した領域３１は、走査点２５がプラスに帯電しているため、２次電子の発生効率は低く、２次電子検出器９により検出される２次電子の強度は低い。金属配線１８上を電子線２が走査した領域３２は、電気的に中和されているため、２次電子の発生効率は抑えられることなく、検出される２次電子の強度は高い。金属配線２１上を電子線２が走査した領域３３は、走査点２５がプラスに帯電しているため、２次電子の発生効率は低く、検出される２次電子の強度は低い。一般に、２次電子の発生効率は原子番号の大きい方が高いため、走査点２５がプラスに帯電している領域では、元素番号の大きい元素で構成されている構造物の方が、検出される２次電子の強度は高くなる。即ち、層間絶縁膜２３上を電子線２が走査した領域３１より、金属配線２１上を電子線２が走査した領域３３の方が、検出される２次電子の強度は高い。
【０１１２】
図４（ｃ）、（ｄ）は、本発明の実施の形態２に係る電子顕微鏡の２次電子像の構成方法において、２次電子像の補正方法を説明する図である。
【０１１３】
図４（ｃ）を参照すると、走査線２４と電流計１４の検出強度との関係を示すグラフに、電流計１４で検出された電流値に対して、走査点２５で帯電現象を起こしたと推定できる電流値幅３４を設定していることを説明する図である。このとき、層間絶縁膜２３上を電子線２が走査した領域２８と金属配線２１上を電子線２が走査した領域３０を含む領域３５は、走査点２５で帯電現象を起こしていることを示す電流値幅３４の範囲に全て含まれるため、走査線２４の中では、金属配線１８上を電子線２が走査した領域２９以外の全ての点が補正対象として選択される。
【０１１４】
図４（ｄ）を参照すると、走査線２４と２次電子検出器９の検出強度との関係を示すグラフに、金属配線１８上を電子線２が走査した領域３２での２次電子の検出強度Ａと、金属配線２１上を電子線２が走査した領域３３の２次電子の検出強度Ｂ、補正後の２次電子の検出強度Ｃの関係を説明する図である。横軸は走査線２４の走査距離を示しており、縦軸は走査線２４上を電子線２が走査したときの２次電子検出器９の検出強度を示している。このとき、同じ金属配線の２次電子の検出強度を等しくするための補正係数はＡ／Ｂとなる。従って、金属配線１８上を電子線２が走査した領域３２以外の全ての点の２次電子の検出信号に対してＡ／Ｂを乗算することで、金属配線１８と２１は、導通あるいは非導通に関わりなく同等の２次電子の検出強度となる。このようにして、電子線２を照射する全てのアドレスにおいて、電流計１４により検出される電流値が電流値幅３４に含まれるかどうかの判定を行い、該当するアドレス全てに補正係数Ａ／Ｂを乗算することで、補正した２次電子信号を作り、これらの２次電子信号に対応した色情報が、予め設定された色調情報のグレイスケール２５６階調の適合テーブルから自動的に決定され、各画素に挿入することで、２次元で表示可能な２次電子像の構成ができる。
【０１１５】
このような２次電子像の補正をすることができるのは、電子線を薄片試料部に照射した際に、観察用試料を取り付けた試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を検出するための電流計により、微弱な電流変化を信号として検出し、この信号から補正が必要なアドレスを決定することで、２次電子検出器から得られた信号に補正係数を乗算することができるためである。
【０１１６】
なお上記実施形態では、電子線を試料に照射するとしたが、本発明はこれに限定されない。試料６に照射する荷電粒子は、照射することによって試料中に電荷が生じるもので、偏向コイルによって試料を走査できるものであればよい。
【０１１７】
なお上記実施形態では、ＦＩＢを用いて、試料厚さ０．１μｍの薄片試料部を成形していたが、本発明はこれに限定されない。薄片試料部とアースに接地する配線とで電気的に導通し、加速した荷電粒子が透過できる厚さを成形できればよい。
【０１１８】
なお上記実施形態では、薄片試料にシリコン半導体を用いていたが、本発明はこれに限定されない。薄片試料部とアースに接地する配線とで電気的に導通する構造を含み、加速した荷電粒子が透過できる厚さを成形できる試料であればよい。
【０１１９】
以上のように、実施の形態２に係る電子顕微鏡の２次電子像の構成方法によれば、観察用試料を取り付けた試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる微弱な電流変化を検出することにより、補正が必要なアドレスを決定し、２次電子検出器から得られた信号に補正係数を乗算することができる。補正した２次電子信号に対応した色情報を、各画素に挿入することで、２次元で表示可能な２次電子像の構成ができ、薄片試料内の電気的な極性と無関係の適切な色調の画像を得ることができる。
【０１２０】
この発明の第３の実施の形態を図５〜図８に基づいて説明する。
【０１２１】
図５（ａ）〜図５（ｃ）および図６は、実施の形態３に係る電子顕微鏡の透過電子像の構成方法において、試料形態を表す斜方投影図である。
【０１２２】
図５（ａ）を参照すると、目的のシリコン半導体チップ４０をエポキシ樹脂などでダミーシリコン基板４１と張り合わせ、円形に打ち抜いた後、ディンプルグラインダを用いて、目的のシリコン半導体チップ４０の表面４２が凹状の最も低い部分になるように擂り鉢形状に加工する。円形の大きさは、試料ホルダに固定できる約３ｍｍΦ以下とする必要がある。
【０１２３】
図５（ｂ）を参照すると、イオンミリング装置などを用いて円形試料を両面からスパッタエッチングすると、擂り鉢状の底の部分から、薄片化されて穴４３が開口する。穴４３の縁で、目的のシリコン半導体チップ４０の表面４２が重なっている箇所を薄片試料部４４とする。薄片試料部４４は電子線が透過できる厚さである０．５μｍ以下の箇所を有した試料である必要がある。
【０１２４】
図５（ｃ）を参照すると、薄片試料部４４の内部には、シリコン基板２０上にトランジスタのゲート電極やこれを動作させるための金属配線が形成され、薄片試料部４４は穴４３の縁を最も薄い厚さの領域として外周方向に試料厚さが厚くなる楔形状となっている。試料厚さが０．１μｍ前後の厚み４５の領域４６には、トランジスタのゲート電極４７と積層された金属配線構造４８が含まれており、試料厚さが０．３μｍ前後の厚み４９の領域５０には、トランジスタのゲート電極５１と積層された金属配線構造５２が含まれている。このような形態の薄片試料部４４を透過電子検出器１０により検出される信号を用いて透過電子像を構成すると、試料厚さが０．１μｍ前後の厚み４５の領域４６に、適切な色調を表示させようとすると、０．３μｍ前後の厚み４９の領域５０は、暗すぎる画像となり、逆に、０．３μｍ前後の厚み４９の領域５０を適切な色調を表示させると、試料厚さが０．１μｍ前後の厚み４５の領域４６は、明るすぎる画像となり、適切な色調の画像とならない。
【０１２５】
図６を参照すると、図５（ｃ）の楔形状の薄片試料部４４を電子線２で走査する時の電子線と薄片試料部との位置関係を表す図である。電子線２は、走査線５３上を図６の左から右へ、即ち試料厚みの薄い領域から厚い領域へと走査している。このとき走査線５３は薄片試料部のシリコン基板２０のみとし、電子線２はシリコン基板２０以外の構造物上を走査してはならない。
【０１２６】
図７は、本発明の実施の形態３に係る電子顕微鏡の透過電子像の構成方法において、走査線５３上を電子線２が走査した場合の、楔形状の薄片試料部の試料厚さと電子線２および電流計１４との関係を説明する模式断面図である。試料は、実施の形態１において前述した電流計を備えた電子顕微鏡装置の試料ホルダ先端に固定される。
【０１２７】
図７を参照すると、試料厚さが０．１μｍ前後の厚み４５近傍のシリコン基板上を電子線２が照射されると、薄片試料を通過する透過電子線５４とシリコン基板中でエネルギーを失った吸収電子による電流５５に分離し、試料厚さが０．３μｍ前後の厚み４９近傍のシリコン基板上に電子線２が照射されると、薄片試料を通過する透過電子線５６とシリコン基板中でエネルギーを失った吸収電子による電流５７に分離する。シリコン基板中でエネルギーを失った吸収電子による電流５５および５７は、電流計１４を経てアースへと流れ、このときの電流計１４により検出される電流値は、電流５５＜電流５７であり、試料厚さに比例してシリコン基板中で吸収される電流は増加する。
【０１２８】
図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る電子顕微鏡の透過電子像の構成方法において、走査線５３上を電子線２が走査した場合の、走査線５３と電流計１４の検出強度との関係を説明するためグラフであり、横軸は走査線５３の走査距離を示しており、縦軸は走査線５３上を電子線２が走査したときの電流計１４の検出強度、または透過電子検出器１０の検出強度との関係を示している。
【０１２９】
図８（ａ）を参照すると、試料厚さが０．１μｍ前後の厚み４５の領域４６の範囲内で基準強度Ｄを決定し、走査線５３内の任意の走査点での電流計１４の強度Ｆとすると、Ｆ／Ｄを補正係数とする。
【０１３０】
図８（ｂ）を参照すると、シリコン基板を透過した透過電子の検出強度は、薄片試料部の厚さが増すと減少するため、右下がりの曲線５８となるが、走査線５３の各走査点で得られた透過電子の検出強度に、補正係数Ｆ／Ｄを乗算することにより、試料厚さの違いによって生じる色調の違いを補正した透過電子の検出強度、即ち直線５９が得られる。
【０１３１】
このようにして、走査線５３に平行かつ同等距離内は、全て同じ試料厚さに近似しているものとし、走査線５３の各画素に対応する列に補正係数Ｆ／Ｄを乗算することで、補正した透過電子信号を作り、これらの透過電子信号に対応した色情報が、予め設定された色調情報のグレイスケール２５６階調の適合テーブルから自動的に決定され、各画素に挿入することで、２次元で表示可能な透過電子像の構成ができる。従って、シリコン基板上の走査線５３で得られた走査距離に対応した補正係数を用いて、透過電子検出器１０の検出強度を補正すれば、試料厚さが０．１μｍ前後の厚み４５の領域４６に含まれるトランジスタのゲート電極４７と積層された金属配線構造４８と、試料厚さが０．３μｍ前後の厚み４９の領域５０に含まれるトランジスタのゲート電極５１と積層された金属配線構造５２とでは、同じ材料の構造の場合は、ほぼ同じ色調の画像として得ることができる。
【０１３２】
このような透過電子像の補正をすることができるのは、電子線を薄片試料に照射した際に、観察用試料を取り付けた試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる電流変化を検出するための電流計により、電流変化を信号として検出し、この信号から補正係数を決定することで、透過電子検出器から得られた信号に補正係数を乗算することができるためである。
【０１３３】
なお上記実施形態では、電子線を試料に照射するとしたが、本発明はこれに限定されない。試料６に照射する荷電粒子は、照射することによって試料中に電荷が生じるもので、偏向コイルによって試料を走査できるものであればよい。
【０１３４】
なお上記実施形態では、イオンミリングを用いて、楔形の薄片試料部を成形していたが、本発明はこれに限定されない。薄片試料部とアースに接地する配線とで電気的に導通し、加速した荷電粒子が透過できる厚さであって、試料厚さの変化が急峻でなければよい。
【０１３５】
なお上記実施形態では、薄片試料にシリコン半導体を用いていたが、本発明はこれに限定されない。薄片試料部とアースに接地する配線とで電気的に導通する構造を含み、加速した荷電粒子が透過できる厚さであって、試料厚さの変化する方向に平行に同一材料で形成された構造を含めばよい。
【０１３６】
以上のように、実施の形態３に係る電子顕微鏡の透過電子像の構成方法によれば、観察用試料を取り付けた試料ホルダとアースに接地した配線との間に流れる電流変化を検出することにより、この信号から補正係数を決定することで、透過電子検出器から得られた信号に補正係数を乗算することができる。補正した透過電子信号に対応した色情報を、各画素に挿入することで、２次元で表示可能な透過電子像の構成ができ、薄片試料内の試料厚さと無関係の適切な色調の画像を得ることができる。
【０１３７】
この発明の第４の実施の形態を図９〜図１２に基づいて説明する。
【０１３８】
図９は、本発明の実施の形態４の顕微鏡画像処理方法に係る電子顕微鏡用の薄片試料厚さ測定方法において、電子線２が試料６に照射されたときの試料厚さｔと電流計１４に流れる電流との関係を説明する模式断面図である。
【０１３９】
図９（ａ）に示すように、電子線２は試料厚さｔが充分に薄い時に、ほぼ全ての電子が透過する全透過状態となり、電流計１４には電子線の吸収による信号は検出されない。図９（ｂ）に示すように、試料厚さｔがある程度厚くなると、電子線２は一部が透過し、残りの電子はエネルギーを失い試料ホルダ５を通じて電流計１４に信号として検出される半透過状態となる。そして、図９（ｃ）に示すように、試料厚さｔが充分に厚い時は、ほぼ全ての電子が試料中でエネルギーを失い、試料ホルダ５から配線１３へと電子が運ばれ、電流計１４に信号として検出される全吸収状態となる。従って、電流計１４の信号を用いた画像の構成を行うためには、試料厚さｔを電流計１４の信号から測定できる参照データを取得しておく必要がある。
【０１４０】
以下に図１０から図１２までを用いて試料厚さ測定方法を示す。
【０１４１】
図１０は、本発明の実施の形態４に係る電子顕微鏡用の薄片試料部厚さ測定方法において、参照データを取得するための試料形態を表す斜方投影図である。ダイシングソーなどによって試料の全長を３ｍｍ以下に切り出したシリコン半導体の一部を、ＦＩＢ装置によって、電子線２の入射方向に対して垂直方向に厚さが変化するテーパ形状７０を有した薄片試料に成形した。ＦＩＢ加工に際しては、電子線入射および透過方向に対して遮蔽する部分がないように薄片試料部を形成する必要がある。
【０１４２】
図１１は、本発明の実施の形態４に係る電子顕微鏡用の薄片試料部厚さ測定方法において、参照データを取得するための試料形態を表す模式断面図である。電子線２は、テーパ形状７０を距離Ｘだけ走査している。テーパ形状７０の斜面７１と中心線７２との成す角をαとし、試料６が取り付けられた試料ホルダ５とアースに接地された配線１３の間に電流計１４が接続されている。
【０１４３】
図１２は、本発明の実施の形態４に係る電子顕微鏡用の薄片試料部厚さ測定方法において、参照データとなる試料厚さｔと電流計１４の検出強度との関係を説明するためのグラフである。横軸に電子線２の走査距離Ｘ、縦軸に電流計１４で検出された電流強度をプロットしている。
【０１４４】
図１１を参照すると、ＦＩＢを用いて加工したテーパ形状７０の斜面７１とテーパ形状７０の中心線７２との成す角αはＦＩＢ加工時の表面観察像から、電子線２の走査距離Ｘは電子顕微鏡の倍率からそれぞれ求めることができる。試料厚さｔは、ｔ＝２・Ｘ・ｔａｎαで算出されるので、試料厚さｔとこれに対応した電流計１４により検出された電流強度をプロットすると、試料厚さｔと電子線が試料に照射された際に生じる電荷量の相関関係を示す図１２が作成される。電子線２は最も薄い部分から、約０.１μｍ以下の厚さまでは、試料による電子線の吸収はほとんど起こらないため、全く電流が流れないか、アースから微量の電子が供給される全透過領域（ａ）となる。試料厚さｔが約０.１μｍ以上になると試料による電子線の吸収が発生し、吸収された電子量がアースへ運ばれるため、電流計１４により検出される電流強度は試料厚さｔに比例して上昇し、試料厚さｔが約０.３μｍ以上になると急激に電流強度が増加する半透過領域（ｂ）となり、これ以降は、電子線２は試料を全く透過しない全吸収領域（ｃ）となる。電子線２の照射条件により、試料厚さｔと電流計１４により検出される電流強度は異なるため、照射条件毎にこのグラフを作成しておくことで、照射条件と電流計１４の電流強度から、試料厚さｔを求めることが可能となる。
【０１４５】
このような試料厚さ測定ができるのは、ＦＩＢを用いた加工により、テーパ形状７０を形成することで、テーパ形状７０の斜面７１とテーパ形状７０の中心線７２との成す角αを測定し、試料厚さｔを算出することができ、電子線２が試料照射した際に生じる電荷量と試料厚さｔと相関関係を、電子線２の照射条件に応じてグラフを作成することができたためである。
【０１４６】
なお上記実施形態では、電子線を試料に照射したが、本発明はこれに限定されない。試料に照射する荷電粒子は、照射することによって試料中に電荷が生じるもので、偏向コイルによって試料を走査できるものであればよい。
【０１４７】
なお上記実施形態では、ＦＩＢを用いて、テーパ形状を有する薄片試料部を形成し、テーパの斜面とテーパの中心線との成す角αを測定したが、本発明はこれに限定されない。テーパ形状を有する薄片試料部を形成し、そのテーパ角を正確に知る手段が備わっていればよい。
【０１４８】
このように、実施の形態４に係る電子顕微鏡用の薄片試料部厚さ測定方法によれば、電子線を試料に照射した際に生じる電荷量と試料厚さとの相関関係を示すグラフを、電子線照射条件別に作成することができ、照射領域の試料厚さを電流計により検出された電流強度から正確に知ることができる。
【０１４９】
この発明の第５の実施の形態を図１３〜図１６に基づいて説明する。
【０１５０】
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）および図１４は、本発明の実施の形態５に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、薄片試料部の形態と構成を説明する斜方投影図である。
【０１５１】
図１３（ａ）を参照すると、ダイシングソーなどによって試料の全長を３ｍｍ以下に切り出されたシリコン半導体の一部を、ＦＩＢ装置によって薄片試料厚さ１５を検査するプラグ径よりも厚く成形している。このとき、ＦＩＢ加工断面にプラグが当たらないようにするため、ＦＩＢ加工面はプラグの外周よりも片側約０．１μｍ以上離れた層間絶縁膜部分とする。また、ＦＩＢ加工に際しては、電子線入射および透過方向に対して遮蔽する部分がないようにする必要がある。
【０１５２】
図１３（ｂ）を参照すると、図１３（ａ）の薄片試料部を拡大して表示した図であり、シリコン半導体のシリコン基板１６上に形成されたトランジスタ１７を電気的に動作させるために金属配線部が層間絶縁膜２３中に形成されている。トランジスタのソースまたはドレイン領域にはプラグ形成されており、このプラグには低抵抗のプラグ８０と高抵抗のプラグ８１とが混在している。プラグ８０およびプラグ８１は、いずれも1層目金属配線８２に接続されており、一部の1層目金属配線８２は、２層目金属配線８３へ配線間プラグ８４により電気的に接続されている。ＦＩＢ加工による薄片化を行う前には、全てのプラグは金属配線を通じて、その信号を伝達するために接続されているが、ＦＩＢ加工による薄片化後には、加工した位置や金属配線パターンによって、シリコン基板としか接続されなくなったプラグと、上層金属配線によって、シリコン基板よりも低抵抗の経路が残されるプラグが生じる場合がある。
【０１５３】
図１３（ｃ）を参照すると、ＦＩＢ加工による薄片化の際に、シリコン基板に接続された全てのプラグの電気的経路を一様にする作業を施した薄片試料を示している。薄片試料部をＦＩＢイオンビーム軸に対して９０度傾斜し、イオンビームによるスパッタエッチングすることで、1層目金属配線８２と２層目金属配線８３とを接続しているプラグ８４の中央付近で、上層配線との切り離しを行う。このような作業を行うことで、シリコン基板に接続された全てプラグは、シリコン基板よりも低抵抗な電気経路が存在しなくなる。
【０１５４】
図１４を参照すると、図１３（ｃ）のように成形された薄片試料部を電子線２で走査するときの電子線と薄片試料部との位置関係を表す図である。走査線８５は、検査対象の全てのプラグ上を通る直線とし、プラグ以外の部分は全て層間絶縁膜２７である必要がある。
【０１５５】
図１５は、本発明の実施の形態５に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、電子線２がプラグ上を走査したときの、電子線２から薄片試料中に吸収された電子が電流計１４を経てアースまで到達するまでの、電気的抵抗を表した模式断面図である。
【０１５６】
電子線２が走査点８６にあるとき、試料中で吸収された電子は、電気的抵抗の低いプラグを通じてシリコン基板２０へ向って流れる。このとき、走査点８６からプラグ底部までの抵抗８７と、シリコン基板２０を通じて電流計１４まで到達する際の抵抗８８は、薄片試料内の全てのシリコン基板に接続されたプラグについて同等だが、シリコン基板２０に接続されたプラグの底部とシリコン基板表面との接触抵抗８９は、個々のプラグによって異なる。即ち、低抵抗のプラグ８０と高抵抗のプラグ８１は、シリコン基板２０に接続されたプラグの底部とシリコン基板表面との接触抵抗８９が異なっている。
【０１５７】
図１６は、本発明の実施の形態５に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、走査線８５と電流計１４の検出強度との関係を説明するためのグラフであり、横軸は走査線８５の走査距離、縦軸は走査線８５上を電子線２が走査したときの電流計１４の検出強度を示している。
【０１５８】
低抵抗のプラグ８０上を電子線２が走査したときは、吸収電子の流れに対しての電気抵抗は低く、電流計１４は電流値９０を示すが、高抵抗のプラグ８１は、低抵抗のプラグ８０より吸収電子に対する電気的抵抗が高くなるため、電流計１４は電流値９０よりも低い値９１を示す。これにより、低抵抗のプラグ８０と高抵抗のプラグ８１を見分けることが可能となり、電流計１４の電流強度によって、相対的な抵抗値を求めることもできる。このように、シリコン基板に接続する個々のプラグの抵抗が見分けられることにより、電気回路的に不良箇所が最小回路単位中に絞られていても、その最小回路単位内に数個のプラグが含まれていて、正確な不良プラグが絞られていない場合に、不良プラグの見極めが可能となる。
【０１５９】
このような半導体素子の検査ができるのは、試料中で吸収される電子の導電経路をシリコン基板方向に決定するために、ＦＩＢを用いて検査する素子上の配線部を削りとる試料形成を行い。観察用試料を取り付けた試料ホルダとアースに接地した配線との間の電流計により、個々の素子での吸収電流量を信号として検出することで、相対的に抵抗値を求めることができるためである。
【０１６０】
なお上記実施形態では、電子線を試料に照射するとしたが、本発明はこれに限定されない。試料６に照射する荷電粒子は、照射することによって試料中に電荷が生じるもので、偏向コイルによって試料を走査できるものであればよい。
【０１６１】
なお上記実施形態では、シリコン基板に接続されたプラグの電気的抵抗を求めたが、本発明はこれに限定されない。試料中で吸収される電子の導電経路を検査する全てのプラグで一様にできればよい。
【０１６２】
なお上記実施形態では、検査試料にシリコン半導体中のプラグを用いていたが、本発明はこれに限定されない。試料中で吸収される電子の導電経路を、検査する全ての構造で一様にできるような構造を有するデバイスであればよい。
【０１６３】
以上のように、実施の形態５に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法によれば、試料中で吸収される電子の導電経路をシリコン基板方向に決定するために、ＦＩＢを用いて検査する素子上の配線部を削りとる試料形成することで、コンタクトからシリコン基板へと流れた吸収電流を検出し、近接する個々のコンタクトとシリコン基板間の相対的な抵抗を求めることができる。
【０１６４】
この発明の第６の実施の形態を図１７〜図１９に基づいて説明する。
【０１６５】
図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、本発明の実施の形態６に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、薄片試料の形態と構成を説明する斜方投影図である。
【０１６６】
図１７（ａ）を参照すると、ダイシングソーなどによって試料の全長を３ｍｍ以下に切り出されたシリコン半導体の一部を、ＦＩＢ装置によって薄片試料厚さ１５を検査するプラグ径よりも厚く成形している。このとき、ＦＩＢ加工断面にプラグが当たらないようにするため、ＦＩＢ加工面はプラグの外周よりも片側約０．１μｍ以上離れた層間絶縁膜部分とする。また、ＦＩＢ加工に際しては、電子線入射および透過方向に対して遮蔽する部分がないようにする必要がある。
【０１６７】
図１７（ｂ）を参照すると、図１７（ａ）の薄片試料部を拡大して表示した図であり、シリコン半導体のシリコン基板１６上に形成された金属配線の連続パターンが層間絶縁膜２３中に形成されている。このような金属配線パターンは、半導体プロセスでの加工上の不具合を高感度で検出するために用いるものだが、多数のプラグが直列に接続されるため、パターン全体の電気的抵抗変動には敏感である反面、不具合箇所の特定は困難である。例えば、１層目金属配線１００と２層目金属配線１０１が、上下の金属配線との接触抵抗が低抵抗であるプラグ１０２と１層目金属配線１００とプラグ底部の接触抵抗が高抵抗となっているプラグ１０３が混在している場合について考える。薄片化された検査パターンが接続されている金属配線に、電気信号を試料外部へ取り出す配線を接続し、電流計１０４を、反対側に電流計１０５を接続する。
【０１６８】
図１７（ｃ）を参照すると、図１７（ｂ）のように成形された薄片試料を電子線２で走査線１０６上を走査する。走査線１０６は、検査対象の全てのプラグ上を通る直線とし、プラグ以外の部分は全て層間絶縁膜２３である必要がある。
【０１６９】
図１８（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態６に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、方法と構成を説明する模式断面図である。
【０１７０】
図１８（ａ）を参照すると、電子線２が１層目金属配線１００とプラグ底部の接触抵抗が高抵抗となっているプラグ１０３の左側の、上下の金属配線との接触抵抗が低抵抗であるプラグ１０２上を走査したときの、電子線２から薄片試料中に吸収された電子がアースまで到達するまでの経路を示した模式図である。走査されたプラグの右側に、１層目金属配線１００とプラグ底部の接触抵抗が高抵抗となっているプラグ１０３があるため、吸収された電子は、走査されたプラグの左側へ多く流れ、電流計１０４を経てアースへ流れる。
【０１７１】
図１８（ｂ）を参照すると、電子線２が１層目金属配線１００とプラグ底部の接触抵抗が高抵抗となっているプラグ１０３の右側の、上下の金属配線との接触抵抗が低抵抗であるプラグ１０２上を走査したときの、電子線２から薄片試料中に吸収された電子がアースまで到達するまでの経路を示した模式図である。走査されたプラグの左側に、１層目金属配線１００とプラグ底部の接触抵抗が高抵抗となっているプラグ１０３があるため、吸収された電子は、走査されたプラグの右側へ多く流れ、電流計１０５を経てアースへ流れる。
【０１７２】
図１９（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態６に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、走査線１０６と電流計の検出強度との関係を説明するためのグラフであり、図１９（ａ）は、横軸は走査線１０６の走査距離、縦軸は走査線１０６上を電子線２が走査したときの電流計１０４の検出強度を示している。図１９（ｂ）は、横軸は走査線１０６の走査距離、縦軸は走査線１０６上を電子線２が走査したときの電流計１０５の検出強度を示している。
【０１７３】
図１９を参照すると、１層目金属配線１００とプラグ底部の接触抵抗が高抵抗となっているプラグ１０３を境にして、電流計１０４および１０５で検出される吸収電流強度が大きく変化するため、プラグ上を電子線２が走査したことを示すピーク１０７と１０８とで、電流計の検出強度が異なってあらわれる。この電流変化の大きいピークの１０７または１０８のどちらかのプラグで高抵抗となっていることがわかる。半導体製造のプロセス上、プラグ下に異常があると推測される場合は、電流変化１０７が高抵抗箇所を表していることが特定可能である。一方、プラグのどの部分に異常があるのか不明のときは、走査線１０６を、１層目金属配線１００上に移動し、続けて２層目金属配線１０１上に移動させて、電流計１０４および１０５の検出強度の違いにより、目的の高抵抗のプラグを特定することが可能である。
【０１７４】
このような半導体素子の検査ができるのは、試料中で吸収される電子の導電経路を検査する金属配線のパターンに限定し、電流計へ接続される配線を、この金属配線パターンに直接に接続することで、微妙な電流変化が電流計で検出できるためである。
【０１７５】
なお上記実施形態では、電子線を試料に照射するとしたが、本発明はこれに限定されない。試料６に照射する荷電粒子は、照射することによって試料中に電荷が生じるもので、偏向コイルによって試料を走査できるものであればよい。
【０１７６】
なお上記実施形態では、検査試料にシリコン半導体中の金属配線パターンのプラグを用いていたが、本発明はこれに限定されない。試料中で吸収される電子の導電経路を、検査する全ての構造で一様にできるような構造を有するデバイスであればよい。
【０１７７】
以上のように、実施の形態６に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法によれば、試料中で吸収される電子の導電経路を、検査する金属配線パターンに限定するため、金属配線パターンの両端を、電流計を経てアースに接地するように試料形成し、コンタクトから電流計に流れた吸収電流を検出して、個々のコンタクトの抵抗を相対的に求めることができる。
【０１７８】
この発明の第７の実施の形態を図２０〜図２３に基づいて説明する。
【０１７９】
図２０（ａ）〜図２０（ｃ）および図２１は、本発明の実施の形態７に係る半導体素子検査のための薄片試料の形成方法において、試料の形態と構成を説明する平面図である。
【０１８０】
図２０（ａ）を参照すると、電子顕微鏡の試料ホルダに固定する際に用いる試料補強用リングを約１／２に切り取った半円リング１１０を示す図である。試料補強リングは電気抵抗の高いプラスティックや、金属製のリングを非導電体材料で被覆したものである必要がある。
【０１８１】
図２０（ｂ）を参照すると、半円リング１１０の中央部含む約１／３を覆い隠せる板１１１を、半円リング上に被せている様子を示す図である。板１１１は真空中でガスを多量に出さないものである必要がある。このような状態で、真空蒸着機により、低抵抗の金属膜を蒸着し、蒸着後、板１１１を取り除く。
【０１８２】
図２０（ｃ）を参照すると、板１１１の被せてあった部分に、金属膜が蒸着されなかった分離部１１２ができていることを示す図である。半円リングの表面は金属膜蒸着部１１３が左右２箇所と、中央に金属膜が蒸着されていない分離部１１２とで構成され、半円リング裏面には、金属膜の蒸着は行わない。
【０１８３】
図２１を参照すると、ダイシングソーなどによって半円リング１１０の外周直径以下の大きさに切り出された試料１１４を、半円リング１１０に固定した状態を示す。試料１１４は、半導体表面側１１４を半円リングの切り取り面の方に向けて固定する。半円リング１１０の両端の金属膜蒸着部１１３に接着剤などで固定し、試料１１４の半導体表面側１１４の中央部に、電子線入射および透過方向に対して遮蔽する部分がないようにする必要がある。
【０１８４】
図２２は、本発明の実施の形態６における電子顕微鏡の試料ホルダ先端１１６の試料固定部１１７に図２１に示した半円リング１１０を取り付けた場合の構成を示す図である。試料固定部１１７上に半円リング１１０を載せ、板ばね１１８をねじ１１９で締めて、半円リングを試料ホルダ先端１１６に固定する。板ばね１１８の左側にはリード線１２０が取り付けられ、電流計１０４へと接続されている。また、板ばね１１８の右側にはリード線１２１が取り付けられ、電流計１０５へ接続されている。試料ホルダ先端１１６と試料固定部１１７は非道電材料で形成されているか、表面を被覆されていなければならない。
【０１８５】
図２３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態７に係る半導体素子検査のための薄片試料の形成方法において、薄片試料の結線方法を説明する平面図である。
【０１８６】
図２３（ａ）を参照すると、図２１の試料を半導体表面側からの上方図であり、ＦＩＢ加工による薄片試料部１２２を成形している。このときの薄片試料部１２２の厚さは、検査対象のプラグの直径よりも厚くしなくてはならない。
【０１８７】
図２３（ｂ）を参照すると、薄片試料内部の金属配線の延長線上にＦＩＢ加工により加工穴を成形し、加工穴底が金属配線に到達した後、ＦＩＢによる金属膜の選択堆積１２３を行い、半円リング１１０上に形成した金属膜蒸着部１１３に接触させることで、左側の金属膜蒸着部１１３に接触している板ばね１１８に接続されたリード線１２０により電流計１０４へつながり、薄片試料部１２２に電子線２が走査されたときの吸収電流が検出できる。同様に、右側の金属膜蒸着部１１３に接触している板ばね１１８に接続されたリード線１２１より電流計１０５へつながり、薄片試料部１２２に電子線２が走査されたときの吸収電流が検出できる。
【０１８８】
このような半導体素子検査のための薄片試料の形成ができるのは、電子顕微鏡の試料ホルダに固定する際に用いる試料補強用リングに、電気的に分離した金属膜を蒸着することで、ＦＩＢによる金属膜の選択堆積の微小な配線に対して接続を容易とし、かつ試料ホルダとダイシングソーなどによって切り出された試料との電気的接続を容易とすることができたためである。
【０１８９】
なお上記実施形態では、電子線を試料に照射するとしたが、本発明はこれに限定されない。試料６に照射する荷電粒子は、照射することによって試料中に電荷が生じるもので、偏向コイルによって試料を走査できるものであればよい。
【０１９０】
なお上記実施形態では、検査試料にシリコン半導体中の金属配線パターンのプラグを用いていたが、本発明はこれに限定されない。試料中で吸収される電子の導電経路を、検査する全ての構造で一様にできるような構造を有するデバイスであればよい。
【０１９１】
なお上記実施形態では、試料補強用リングに半円リングを用いていたが、本発明はこれに限定されない。試料の強度を高め、試料ホルダに検査用パターンの左右からの吸収電流の電気信号を伝えられるように、左右で電気的に分離されていればよい。
【０１９２】
なお上記実施形態では、試料ホルダへの試料の固定に板ばねを用いていたが、本発明はこれに限定されない。試料を試料ホルダに固定でき、試料ホルダ内部のリード線に検査用パターンの左右からの吸収電流の電気信号を伝えられるように、左右で電気的に分離されていればよい。
【０１９３】
以上のように、実施の形態７に係る半導体素子検査のための薄片試料の形成方法によれば、非導電材料の半円リングの片側に、前記半円リング中央を板で覆った状態で、導電性の金属膜を蒸着することで、試料ホルダに固定した後に、ＦＩＢでの金属膜の選択堆積によって取り出された試料中の吸収電流を容易に検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１９４】
本発明にかかる顕微鏡装置、顕微鏡画像処理方法および半導体素子の検査方法は、荷電粒子線を試料に照射し、２次的に発生する２種類以上の信号により、試料中に含まれる材質変化や電位による画像の濃淡のばらつきを抑えた、高品質の画像を構成することができ、電子顕微鏡装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１９５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電子顕微鏡の装置の構成を示す模式断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る電子顕微鏡の２次電子像の構成方法において、試料形態を表す斜方投影図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る薄片試料部の内部に含まれる構造と電子線２および電流計１４との関係を説明する模式断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態２に係る走査線２４と電流計１４の検出強度または２次電子検出器９の検出強度との関係および補正方法を説明するためのグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態３に係る電子顕微鏡の透過電子像の構成方法において試料形態を表す斜方投影図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る電子顕微鏡の透過電子像の構成方法において試料形態を表す斜方投影図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る楔形状の薄片試料部の試料厚さと電子線２および電流計１４との関係を説明する模式断面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る走査線５３と電流計１４の検出強度との関係を説明するためグラフである。
【図９】本発明の実施の形態４に係る電子顕微鏡用の薄片試料厚さ測定方法において、試料厚さｔと電流計１４に流れる電流との関係を説明する模式断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る電子顕微鏡用の薄片試料部厚さ測定方法において、参照データを取得するための試料形態を表す斜方投影図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係る電子顕微鏡用の薄片試料部厚さ測定方法において、参照データを取得するための試料形態を表す模式断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る参照データとなる試料厚さｔと電流計１４の検出強度との関係を説明するためのグラフである。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態５に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、薄片試料部の形態と構成を説明する斜方投影図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、薄片試料部の形態と構成を説明する斜方投影図である。
【図１５】本発明の実施の形態５に係る電子線２から薄片試料中に吸収された電子が電流計１４を経てアースまで到達するまでの、電気的抵抗を表した模式断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態５に係る走査線８５と電流計１４の検出強度との関係を説明するためのグラフである。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態６に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、薄片試料の形態と構成を説明する斜方投影図である。
【図１８】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態６に係る電子顕微鏡を用いた半導体素子の検査方法において、方法と構成を説明する模式断面図である。
【図１９】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態６に係る走査線１０６と電流計の検出強度との関係を説明するためのグラフである。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態７に係る半導体素子検査のための薄片試料の形成方法において、試料の形態と構成を説明する平面図である。
【図２１】本発明の実施の形態７に係る半導体素子検査のための薄片試料の形成方法において、試料の形態と構成を説明する平面図である。
【図２２】本発明の実施の形態７において試料ホルダ先端１１６の試料固定部１１７に半円リング１１０を取り付けた場合の構成を示す図である。
【図２３】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態７に係る半導体素子検査のための薄片試料の形成方法において、薄片試料の結線方法を説明する平面図である。
【図２４】従来の電子顕微鏡の装置の構成を示す模式断面図である。
【図２５】（ａ）〜（ｃ）は、従来の２次電子像の構成方法において、試料形態を表す斜方投影図である。
【図２６】従来の２次電子像の構成方法において、走査線１３１と２次電子検出器９の検出強度との関係を説明するためのグラフである。
【図２７】従来の２次電子像の構成方法において、２次電子強度に対応した色情報を挿入したときの画像の構成方法を説明する図である。
【符号の説明】
【０１９６】
１  電子銃
２  電子線
３，４  電子レンズ
５  試料ホルダ
６  試料ホルダ５の先端に固定された試料
７  偏向信号制御装置
８  偏向コイル
９  ２次電子検出器
１０  透過電子検出器
１１  信号処理装置
１２  表示装置
１３  試料ホルダ５とアースに接地した配線
１４  電流計
１５  薄片試料厚さ
１６  シリコン基板
１７  トランジスタ
１８  金属配線
１９  プラグ
２０，２１，２２  金属配線
２３  層間絶縁膜
２４  走査線
２５  走査点
２６  ２次電子
２７  薄片試料中からはじきだされた電子
２８  層間絶縁膜２３上を電子線２が走査した領域
２９  金属配線１８上を電子線２が走査した領域
３０  配線２１上を電子線２が走査した領域
３１  層間絶縁膜２３上を電子線２が走査した領域
３２  金属配線１８上を電子線２が走査した領域
３３  金属配線２１上を電子線２が走査した領域
３４  電流値幅
３５  電子線２が走査した領域３０を含む領域
４０  目的のシリコン半導体チップ
４１  ダミーシリコン基板
４２  目的のシリコン半導体チップ４０の表面
４３  穴
４４  薄片試料部
４５  ０．１μｍ前後の試料厚み
４６  ４５の領域
４７  トランジスタのゲート電極
４８  積層された金属配線構造
４９  ０．３μｍ前後の試料厚み
５０  ４９の領域
５１  トランジスタのゲート電極
５２  積層された金属配線構造
５３  走査線
５４，５６  透過電子線
５５，５７  シリコン基板中でエネルギーを失った吸収電子による電流
５８  補正前の透過電子の検出強度曲線
５９  補正後の透過電子の検出強度線
７０  テーパ形状
７１  テーパ形状７０の斜面
７２  テーパ形状７０の中心線
８０  低抵抗のプラグ
８１  高抵抗のプラグ
８２  1層目金属配線
８３  ２層目金属配線
８４  配線間プラグ
８５  走査線
８６  走査点
８７  走査点８６からプラグ底部までの抵抗
８８  シリコン基板を通じて電流計１４までの抵抗
８９  プラグの底部とシリコン基板表面との接触抵抗
９０  電流値
９１  電流値９０よりも低い電流値
１００  １層目金属配線
１０１  ２層目金属配線
１０２  上下の金属配線との接触抵抗が低抵抗であるプラグ
１０３  １層目金属配線１００とプラグ底部の接触抵抗が高抵抗となっているプラグ
１０４，１０５  電流計
１０６  走査線
１０７，１０８  吸収電流値のピーク
１１０  半円リング
１１１  半円リング１１０の中央部含む約１／３を覆い隠せる板
１１２  金属膜が蒸着されなかった分離部
１１３  金属膜蒸着部
１１４  ダイシングソーなどによって切り出された試料
１１５  半導体表面側
１１６  試料ホルダ先端
１１７  試料固定部
１１８  板ばね
１１９  ねじ
１２０，１２１  リード線
１２２  ＦＩＢ加工による薄片試料部
１２３  ＦＩＢによる金属膜の選択堆積
１３０  電子線照射枠
１３１  走査線
１３２  領域３１での２次電子検出器９の強度
１３３  領域３２での２次電子検出器９の強度
１３４  領域３３の２次電子検出器９の強度
【図１】
2005235495.tif 000003
【図２】
2005235495.tif 000004
【図３】
2005235495.tif 000005
【図４】
2005235495.tif 000006
【図５】
2005235495.tif 000007
【図６】
2005235495.tif 000008
【図７】
2005235495.tif 000009
【図８】
2005235495.tif 000010
【図９】
2005235495.tif 000011
【図１０】
2005235495.tif 000012
【図１１】
2005235495.tif 000013
【図１２】
2005235495.tif 000014
【図１３】
2005235495.tif 000015
【図１４】
2005235495.tif 000016
【図１５】
2005235495.tif 000017
【図１６】
2005235495.tif 000018
【図１７】
2005235495.tif 000019
【図１８】
2005235495.tif 000020
【図１９】
2005235495.tif 000021
【図２０】
2005235495.tif 000022
【図２１】
2005235495.tif 000023
【図２２】
2005235495.tif 000024
【図２３】
2005235495.tif 000025
【図２４】
2005235495.tif 000026
【図２５】
2005235495.tif 000027
【図２６】
2005235495.tif 000028
【図２７】
2005235495.tif 000029