(57)【要約】【課題】ＳＥＭを観察手段として用いるプロービング装置において、電子線照射により生じる測定試料への電荷の蓄積を抑制することのできる技術を提供する。【解決手段】操作画面に映し出されるＳＥＭ像を観察しながら複数本のプローブ１０を操作して、その先端を試料８の各パターンに接触させた後、チャンバ５外に設置された光源部３および光学系４から試料８に紫外線を照射することにより、ＳＥＭ像を観察する際の電子線照射により発生した電荷を中和して、試料８への電荷の蓄積を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空排気されるチャンバ内に、
（ａ）試料を搭載する試料ステージと、
（ｂ）前記試料を構成する各パターンに接触する複数本のプローブと、
（ｃ）前記試料に電子線を走査照射する電子線照射部と、
（ｄ）前記電子線を走査照射することによって前記試料から発生する荷電粒子を検出する電子検出器とを備え、
前記チャンバ外に、
（ｅ）３００ｎｍ以下の波長の紫外線を含む光を出射する光源と、
（ｆ）前記紫外線を集光して前記試料へ照射する光学系とを備えることを特徴とするプロービング装置。
【請求項２】
真空排気されるチャンバ内に、
（ａ）試料を搭載する試料ステージと、
（ｂ）前記試料を構成する各パターンに接触する複数本のプローブと、
（ｃ）前記試料に電子線を走査照射する電子線照射部と、
（ｄ）前記電子線を走査照射することによって前記試料から発生する荷電粒子を検出する電子検出器と、
（ｅ）３００ｎｍ以下の波長の紫外線を含む光を出射して、前記紫外線を前記試料へ照射する光源とを備えることを特徴とするプロービング装置。
【請求項３】
真空排気されるチャンバ内に、
（ａ）試料を搭載する試料ステージと、
（ｂ）前記試料を構成する各パターンに接触する複数本のプローブと、
（ｃ）前記試料に電子線を走査照射する電子線照射部と、
（ｄ）前記電子線を走査照射することによって前記試料から発生する荷電粒子を検出する電子検出器とを備え、
前記チャンバ外に、
（ｅ）３００ｎｍ以下の波長の紫外線を含む光を出射して、前記紫外線を前記試料へ照射する光源とを備えることを特徴とするプロービング装置。
【請求項４】
請求項１、２または３記載のプロービング装置において、前記光源と前記試料との間に、赤外線を吸収するフィルタ、赤外線を透過して紫外線を反射する１枚または２枚以上のミラー、光の照射量を調整する絞り、または光を間接照射するシャッターのいずれか１つまたは２つ以上が設置されていることを特徴とするプロービング装置。
【請求項５】
請求項１、２または３記載のプロービング装置において、操作画面に映し出される像を観察しながら前記複数本のプローブを操作することを特徴とするプロービング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロービング装置に関し、特に、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査電子顕微鏡）を観察手段として用いるプロービング装置に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
絶縁物を有する試料に対して荷電粒子ビームを走査照射することによって試料から発生する荷電粒子を検出して荷電粒子信号を得る検出過程と、上記試料に対して励起光をパルス的に照射することによって絶縁膜中の電子を励起して導通化して電荷を逃がす導通化過程とを有する荷電粒子検出方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、紫外線照射系を照射制御手段によって制御し、荷電粒子線の走査を走査制御手段によって制御し、さらに照射制御手段と走査制御手段の制御を全体制御装置によって行い、お互いを同期させることにより、チャージアップの少ない状態を保ち、像質の安定した電子線画像を得ることが可能な検査、計測方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２０００−３６２７３号公報（段落［００２５］、図１（ｂ））
【特許文献２】特開２０００−３５７４８３号公報（段落［００４６］〜［００４８］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えばナノメータスケールの半導体素子の配線またはコンタクトに複数本のプローブ（探針）を直接接触させて、半導体素子の電気的特性を測定するプロービング装置がある。このプロービング装置では先端径が１０ｎｍ〜１０μｍ程度のプローブが用いられており、操作画面に映し出されたＳＥＭ像を観察しながら、複数本のプローブの動きを操作している。ＳＥＭは半導体素子の表面に電子線を走査照射し、その表面から放出される二次電子または反射電子を検出器で受け、その強度を上記走査に同期させたモニタに輝点列の像として表示する電子顕微鏡であって、半導体素子の表面の微細な構造または形態を観察することができる。
【０００５】
ところで、ＳＥＭを観察手段として用いるプロービング装置には、電子線の走査照射により半導体素子に備わる一部の絶縁膜または絶縁された導体膜に電荷が蓄積されて、半導体素子が本来有する電気的特性が変動するという問題がある。そこで、本発明者らは、例えば電子線の加速電圧を下げるまたは電子線の照射量を少なくすることにより、半導体素子の特性変動を防いでいる。しかしながら、さらに半導体素子の微細化が進み、ＳＥＭの分解能および像質の向上が必要になると、上記対処法のみでは半導体素子の特性変動を抑えることは困難となることが予想される。
【０００６】
本発明の目的は、ＳＥＭを観察手段として用いるプロービング装置において、電子線照射により生じる測定試料への電荷の蓄積を抑制することのできる技術を提供することにある。
【０００７】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【０００９】
本発明は、ＳＥＭを観察手段として用いるプロービング装置であって、チャンバ外またはチャンバ内に３００ｎｍ以下の波長の紫外線を試料へ照射することのできる光源を備えており、操作画面に映し出されるＳＥＭ像を観察しながら複数本のプローブを操作して、試料を構成する各パターンに直接接触させた後、上記光源から光を出射してチャンバ内に設置された試料に紫外線を照射するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１１】
操作画面に映し出されるＳＥＭ像を観察した後に、チャンバ外またはチャンバ内に設置された光源から紫外線を照射することにより、ＳＥＭ像を観察する際の電子線の走査照射により発生する電荷が中和されて試料への電荷の蓄積を抑制することができる。これにより、測定される試料の電気的特性の変動を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１３】
また、本実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、本実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、本実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１４】
また、本実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
本実施の形態１によるプロービング装置を図１および図２を用いて説明する。図１はプロービング装置の全体概略構成図、図２はプロービング装置に備わる集光レンズ等光学系の他の例の概略構成図である。
【００１６】
前述したように、ＳＥＭを観察手段として用いるプロービング装置では、操作画面にＳＥＭ像を映し出す際、試料に走査照射される電子線により、試料に備わる一部の絶縁膜または絶縁された導体膜に電荷が蓄積されて、試料が本来有する電気的特性が変動するという問題がある。そこで、本実施の形態１では、図１に示す紫外線を照射する機能を有するプロービング装置を用いて操作画面にＳＥＭ像を映し出した後、すなわち試料に電子線を走査照射した後に紫外線を試料に照射し、電子線の走査照射により発生した電荷を中和することによって試料の電気的特性の変動を抑える。
【００１７】
図１に示すように、プロービング装置１は、大別してプローバ本体２、光源部３、および集光レンズ等の光学系４により構成される。プローバ本体２は、真空排気されるチャンバ５と、電子線を出射する電子銃６および試料８上に電子線の焦点を結ぶ対物レンズ７等からなる電子線照射部とを備える。電子銃６から出射された電子線を試料８に走査照射すると試料８の表面から荷電粒子、例えば二次電子が発生する。細く絞られた電子線を試料８の表面に走査照射させて、発生した二次電子を電子検出器により検出し、その発生量を輝度の信号に変換することによりＳＥＭ像が得られる。凹凸のうち凸部分の方が二次電子の発生量が多いため、ＳＥＭ像では凸部分が明るく凹部分が暗くなり、三次元的な凹凸を操作画面で二次元の像として表すことができる。
【００１８】
また、チャンバ５内には、試料８を搭載する試料ステージ９と、複数本のプローブ１０と、プローブ駆動機構１１とが設置されている。複数本のプローブ１０は、操作画面に映し出されるＳＥＭ像を観察しながら操作されて、試料８を構成する各パターンに直接接触させる。図示はしないが、試料８から放出される二次電子を検出する電子検出器が、例えば対物レンズ７の上方に設置されている。
【００１９】
試料８への紫外光の照射には、チャンバ５外に設置された光源部３および光学系４が用いられる。光源には、２５３ｎｍ付近のスペクトルが強く点光源に近い水銀キセノン（ＨｇＸｅ）ランプ１２を用いる。使用するＨｇＸｅランプ１２の波長は、温度上昇を抑えるために、例えば３００ｎｍ以下が適切な範囲と考えられる（他の条件によってはこの範囲に限定されないことはもとよりである）。さらに２１４〜２７６ｎｍの範囲が必要な波長であり、２５４ｎｍが最も使用に適する波長であると考えられる。また、ＨｇＸｅランプ１２の強度は、例えば試料８の表面で５ｍＷ／ｃｍ２以上となるように設定される。強度は強ければ強いほど好ましいが、ＨｇＸｅランプ１２が大きくなり発熱の制御が難しくなる。
【００２０】
光源部３に備わるＨｇＸｅランプ１２は、筐体１３に内蔵されて光源支持台１４に保持される。また、筐体１３にはランプ空冷機構１８が設置されており、これによって筐体１３の表面温度は、例えば５０℃以下に保つことができる。
【００２１】
紫外線を集光する光学系４には、紫外線の漏れを防ぐためのカバー１９と、ハーフミラー２０と、シャッター２１とが設置されている。ハーフミラー２０は、光源から出射される光に含まれる熱線を除去するために設けられている。熱線が試料８または試料ステージ９に当たると熱膨張等によって試料８が移動するため、熱線の除去が必要となる。また、ハーフミラー２０の角度を調整することにより、チャンバ５内の装備品、例えばプローブ１０等に遮られることなく試料８の表面に紫外線を照射することができる。シャッター２１は、電源投入直後の光源が安定するまでの間、試料８への紫外線の照射を遮断するために設けられており、例えばカメラ等で使用されている一般的な形のもので良い。また、シャッター２１は、上記熱線による試料８の温度上昇を抑える目的等で、間欠照射にも用いることができる。さらに、光学系４には、光の照射量を調整する絞り２２、フィルタ２３およびレンズ２４が設置されるが、これらは常には必要としないため除くこともできる。
【００２２】
図２に光学系の他の例の概略構成図を示す。基本的な構成は前記図１に示した光学系と同じであるが、レンズ２４をフィルタ２３とチャンバ５に備わる合成石英からなる窓５ａとの間に設置している。
【００２３】
ところで、プロービング装置１では、光源から出射される光に含まれる熱線をハーフミラー２０により除去する方法を採用している。しかし、熱線を除去する方法はこれに限定されるものではない。以下に、プロービング装置１に適用した第１〜第５の熱線除去方法について説明する。図３は、第１〜第５の熱線除去方法を説明するための模式図を示す。なお、図３では、紫外線が試料の真上方向から照射されているが、実際には、試料の表面の法線方向に倒して所定の角度を有して照射される。
【００２４】
まず、第１の熱線除去方法（図３（ａ））は、赤外線ＩＦを吸収し、紫外線ＵＶを透過するフィルタ２５を設置する。光源部３から出射する光（赤外線ＩＦおよび紫外線ＵＶを含む）をフィルタ２５に通して紫外線ＵＶのみを取り出し、さらに絞り２６によって細く絞り試料８へ照射する。第２の熱線除去方法（図３（ｂ））は、赤外線ＩＦを透過し、紫外線ＵＶを反射するミラー２７を設置する。光源部３から出射する光（赤外線ＩＦおよび紫外線ＵＶを含む）をミラー２７で反射させて紫外線ＵＶのみを取り出し、さらに絞り２６によって細く絞り試料８へ照射する。第３の熱線除去方法（図３（ｃ））は、絞り２６を小さくして、光源部３から出射する光（赤外線ＩＦおよび紫外線ＵＶを含む）を所定の試料８のみに照射し、所定の試料８以外の領域に光を照射しないようにする。第４の熱線除去方法（図３（ｄ））は、シャッター２８を設置し、光源部３から出射する光（赤外線ＩＦおよび紫外線ＵＶを含む）をシャッター２８により間欠照射し、さらに絞り２６によって細く絞り試料８へ照射する。この第４の熱線除去方法は、前述した図１のプロービング装置１に備わる光学系４に採用している。第５の方法（図３（ｅ））は、赤外線ＩＦを透過し、紫外線ＵＶを反射する複数枚のミラー２７（例えば３枚のミラー２７ａ，２７ｂ，２７ｃ）を設置する。光源部３から出射する光（赤外線ＩＦおよび紫外線ＵＶを含む）をミラー２７で反射させて紫外線ＵＶのみを取り出し、さらに絞り２６によって細く絞り試料８へ照射する。
【００２５】
なお、これら第１〜第５の熱線除去方法は、それぞれ単独に用いてもよいが、２つ以上の熱線除去方法を組み合わせて用いてもよい。例えば第２と第３の熱線除去方法を組み合わせることにより、紫外線ＵＶのみを取り出した後、絞り２６を小さくして所定の試料８以外の領域に紫外線ＵＶを照射しないようにすることもできる。
【００２６】
このように、本実施の形態１によれば、操作画面に映し出されるＳＥＭ像を観察しながら複数本のプローブ１０を操作し、その先端を試料８の各パターンに直接接触させた後、チャンバ５外に設置された光源部３および光学系４から試料８に紫外線を照射することにより、ＳＥＭ像を観察する際に走査照射される電子線によって試料８に発生した電荷が中和されて、試料８への電荷の蓄積を抑制することができる。これにより、測定される試料８の特性変動を抑えることができる。さらに、試料８の特性変動が抑えられるので、試料８の特性測定の時間が短縮されて、製品の開発期間の短縮または歩留まりの向上を図ることができる。
【００２７】
なお、本実施の形態１では、操作画面に映し出されるＳＥＭ像を観察しながら複数本のプローブ１０の先端を試料８の各パターンに直接接触させ、その後、紫外線を試料８に照射するとしたが、プローブ１０を操作している合間に、紫外線を試料８へ照射してもよい。これにより、電子線の照射によって電荷が蓄積した試料８が不可逆的に変化するのを予防することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
本実施の形態２によるプロービング装置を図４に示すプロービング装置の全体概略構成図を用いて説明する。前述した実施の形態１によるプロービング装置１では、紫外線の光源がチャンバ５外に設置されたが、本実施の形態２のプロービング装置では、紫外線の光源をチャンバ内に設置する。
【００２９】
図４に示すように、プロービング装置３１には、前述した実施の形態１によるプロービング装置１と同様のチャンバ３２と、電子銃３３および対物レンズ３４等からなる電子線照射部とが設置され、さらに、チャンバ３２内には、試料ステージ３５、プローブ３６およびプローブ駆動機構３７等が設置されている。プロービング装置１と相違する点は、プロービング装置３１では、紫外線の光源３８がチャンバ３２内に設置されており、光源３８を試料３９により近づけることができる。光源３８には、例えば２５３ｎｍ付近のスペクトルが強い低圧水銀ランプを用いる。なお、光源３８に繋がる電源接続部４０はチャンバ３２外に置かれる。
【００３０】
また、前述した実施の形態１と同様に、プロービング装置３１においても、光源３８から出射された光に含まれる熱線の試料３９への影響が懸念される。そこで、例えば前述した第１〜第５の方法のいずれかを用いて、試料３９の温度上昇を防止することが好ましい。
【００３１】
このように、本実施の形態２によれば、プロービング装置３１では、前述した実施の形態１のプロービング装置１よりも光源３８を試料３９に近づけることが可能となり、電子線の走査照射により試料３９に蓄積された電荷の中和を紫外線によってさらに効果的に行うことができる。
【００３２】
（実施の形態３）
本実施の形態３によるプロービング装置を図５に示すプロービング装置の全体概略構成図を用いて説明する。
【００３３】
図５に示すように、前述した実施の形態２によるプロービング装置３１に備わる光源３８と同様の光源５２を用意し、本実施の形態３によるプロービング装置５１では、その光源５２をチャンバ５３外に、できるだけ試料５４に近づけて設置する。光源５２には、例えば２５３ｎｍ付近のスペクトルが強い低圧水銀ランプを用い、光源５２から出射される光は、チャンバ５３に備わる窓５３ａから試料５４へ照射される。プロービング装置５１においても、光源５２から出射された光に含まれる熱線の試料５４への影響が懸念されるため、例えば前述した第１〜第５の方法のいずれかを用いて、試料の温度上昇を防止することが好ましい。なお、光源５２の設置場所以外のプロービング装置５１の構成は、前述した実施の形態２によるプロービング装置３１の構成と同様であるためその説明を省略する。
【００３４】
このように、本実施の形態３によれば、前述した実施の形態２と同様に、プロービング装置５１では、前述した実施の形態１のプロービング装置１よりも光源５２を試料５４に近づけることが可能となり、電子線の走査照射により試料５４に蓄積された電荷の中和を紫外線によってさらに効果的に行うことができる。
【００３５】
（実施の形態４）
試料への紫外線照射は、試料の電気的特性を測定する一連の操作手順（シーケンス）に組み込むことができる。これにより、試料の特性測定の安定化および簡易化を図ることができる。本実施の形態４による測定シーケンスに組み込まれた紫外線照射を図６に示す工程図を用いて説明する。
【００３６】
まず、試料（例えばＭＯＮＯＳ（Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor）またはフラッシュメモリ等の不揮発性メモリ、あるいは９０ｎｍ以下のプロセスで作られるＳＯＣ（System On Chip）などの半導体集積回路）を試料ステージに載置し、プロービング装置のチャンバ内の所定の位置に移動した後、操作画面に映し出されるＳＥＭ像を観察しながら、試料を構成する各パターンに複数本のプローブの先端を直接接触させる。試料が半導体集積回路の場合、その各パターンは、例えば直径が１００〜５００ｎｍ程度の楕円形状またはほぼ円形状の電極パターン、あるいは９０ｎｍ以下の幅の配線パターン等である。なお、ここでは試料として半導体集積回路を例示したが、これに限定されるものではない。
【００３７】
次に、操作スイッチを押すことにより（図６の工程Ｐ１）、以下の工程（図６の工程Ｐ２〜工程Ｐ４）が自動で行われる。まず、ＳＥＭのブランキングを行う（図６の工程Ｐ２）。ブランキングとは、電子線を偏向させて、試料に電子線が当たらないようにする機能であり、二次電子を検出する電子検出器もオフ状態となる。次に、紫外線を試料に一定時間照射し（図６の工程Ｐ３）、その後、試料の電気的特性を測定する（図６の工程Ｐ４）。各端子に電圧を印加して、各端子の電流を測定する。これをテスターが読み取ることにより試料の電気的特性が測定される。
【００３８】
上記した測定シーケンスは、前述した実施の形態１によるプロービング装置１、実施の形態２によるプロービング装置３１および実施の形態３によるプロービング装置５１のいずれにも適用することができる。
【００３９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００４０】
例えば、前記実施の形態では、ＳＥＭを観察手段として用いるプロービング装置に適用した場合について説明したが、紫外線照射を必要とするいかなるプロービング装置にも適用することができる。
【００４１】
また、前記実施の形態では、それぞれ独立した複数本のプローブを備えるプロービング装置を例示したが、例えば集積回路の全電極パッドに合わせて複数本のプローブを配置したプローブカードを備えるプロービング装置にも本発明を適用することができる。プローブカードからは各プローブに対応する信号線が出ており、テスターに接続されている。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、紫外線照射を必要とするプロービング装置に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施の形態１によるプロービング装置の全体概略構成図である。
【図２】本実施の形態１によるプロービング装置に備わる集光レンズ等光学系の他の例の概略構成図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態１による温度上昇防止対策を説明するための模式図を示す。
【図４】本実施の形態２によるプロービング装置の全体概略構成図である。
【図５】本実施の形態３によるプロービング装置の全体概略構成図である。
【図６】本実施の形態４による測定シーケンスに組み込まれた紫外線照射を説明するための工程図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  プロービング装置
２  プローバ本体
３  光源部
４  光学系
５  チャンバ
５ａ  窓
６  電子銃
７  対物レンズ
８  試料
９  試料ステージ
１０  プローブ
１１  プローブ駆動機構
１２  キセノンランプ
１３  筐体
１４  光源支持台
１８  ランプ空冷機構
１９  カバー
２０  ハーフミラー
２１  シャッター
２２  絞り
２３  フィルタ
２４  レンズ
２５  フィルタ
２６  絞り
２７，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ  ミラー
２８  シャッター
３１  プロービング装置
３２  チャンバ
３３  電子銃
３４  対物レンズ
３５  試料ステージ
３６  プローブ
３７  プローブ駆動機構
３８  光源
３９  試料
４０  電源接続部
５１  プロービング装置
５２  光源
５３  チャンバ
５３ａ  窓
５４  試料
ＩＦ  赤外線
ＵＶ  紫外線
【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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